Holzbearbeitung mit Überlagerung einer Ultraschall ...

Holzbearbeitung
mit Überlagerung einer
Ultraschall-Wechselbeanspruchung
H. Mayer, G. Sinn, B. Zettl,
G. Pfersmann, P. Rosenkranz, P. Beer
Berichte aus Energie- und Umweltforschung
14/2005
Dynamik mit Verantwortung

Impressum:
Eigentümer, Herausgeber und Medieninhaber:
Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie
Radetzkystraße 2, 1030 Wien
Verantwortung und Koordination:
Abteilung für Energie- und Umwelttechnologien
Leiter: DI Michael Paula
Liste sowie Bestellmöglichkeit aller Berichte dieser Reihe unter http://www.nachhaltigwirtschaften.at
oder unter:
Projektfabrik Waldhör
Nedergasse 23, 1190 Wien
Email: versand@projektfabrik.at

Holzbearbeitung
mit Überlagerung einer
Ultraschall-Wechselbeanspruchung
Projektleiter:
Ao. Univ. Prof. Dr. Herwig Mayer
Projektpartner:
Dipl. Ing. Gerhard Sinn
Dipl. Ing. Bernhard Zettl
Gerd Pfersmann
Dr. Peter Rosenkranz
Dr. Piotr Beer
UNIVERSITÄT FÜR BODENKULTUR
INST. FÜR PHYSIK UND MATERIALWISSENSCHAFTEN
DEPARTMENT FÜR MATERIALWISSENSCHAFTEN UND
PROZESSTECHNIK
Wien, Februar 2004
Ein Projektbericht im Rahmen der Programmlinie
Impulsprogramm Nachhaltig Wirtschaften
Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie

Vorwort
Der vorliegende Bericht dokumentiert die Ergebnisse eines Projekts aus der Programmlinie
FABRIK DER ZUKUNFT. Sie wurde im Jahr 2000 vom Bundesministerium für Verkehr,
Innovation und Technologie im Rahmen des Impulsprogramms Nachhaltig Wirtschaften als
mehrjährige Forschungs- und Technologieinitiative gestartet. Mit der Programmlinie FABRIK
DER ZUKUNFT sollen durch Forschung und Technologieentwicklung innovative
Technologiesprünge mit hohem Marktpotential initiiert und realisiert werden.
Dank des überdurchschnittlichen Engagements und der großen Kooperationsbereitschaft der
beteiligten Forschungseinrichtungen und Betriebe konnten bereits richtungsweisende und auch
international anerkannte Ergebnisse erzielt werden. Die Qualität der erarbeiteten Ergebnisse
liegt über den hohen Erwartungen und ist eine gute Grundlage für erfolgreiche
Umsetzungsstrategien. Anfragen bezüglich internationaler Kooperationen bestätigen die in
FABRIK DER ZUKUNFT verfolgte Strategie.
Ein wichtiges Anliegen des Programms ist es, die Projektergebnisse – seien es
Grundlagenarbeiten, Konzepte oder Technologieentwicklungen – erfolgreich umzusetzen und zu
verbreiten. Dies soll nach Möglichkeit durch konkrete Demonstrationsprojekte unterstützt
werden. Deshalb ist es auch ein spezielles Anliegen die aktuellen Ergebnisse der interessierten
Fachöffentlichkeit zugänglich zu machen. Durch die Homepage www.FABRIKderZukunft.at
und die Schriftenreihe "Nachhaltig Wirtschaften konkret" soll dies gewährleistet werden.
Dipl. Ing. Michael Paula
Leiter der Abt. Energie- und Umwelttechnologien
Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie

Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS...................................................................................................... 3
ZUSAMMENFASSUNG- TEIL A.......................................................................................... 7
ZUSAMMENFASSUNG- TEIL B.......................................................................................... 8
SUMMARY - PART A ............................................................................................................ 9
SUMMARY - PART B........................................................................................................... 10
1 EINLEITUNG............................................................................................................... 11
1.1 Literatur ........................................................................................................................ 12
2 ARBEITEN ZUR PROJEKTPHASE I: ENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG
DER EINRICHTUNG ZUR HOLZBEARBEITUNG MIT
ULTRASCHALLÜBERLAGERUNG........................................................................ 16
2.1 Entwurf und Bau der elektronischen Regeleinheit und des Ultraschallverstärkers
.................................................................................................................................... 16
2.2 Messaufbau für Bestimmung der Regel- und Messgrößen....................................... 21
2.3 Softwareentwicklung zur Datenerfassung und Verarbeitung der Messgrößen...... 23
2.4 Optimierung und Dimensionierung der Ultraschallwerkzeuge / Aufbau der
mechanischen Versuchsteile.................................................................................... 25
3 ARBEITEN ZUR PROJEKTPHASE II: VERFAHRENSENTWICKLUNG UND -
OPTIMIERUNG DER HOLZBEARBEITUNG MIT
ULTRASCHALLÜBERLAGERUNG........................................................................ 28
3.1 Bestimmung der Trennkräfte...................................................................................... 28
3.2 Charakterisierung des Bruchbildes der Holztrennflächen und Bestimmung der
Oberflächenrauhigkeit............................................................................................. 37
3.3 Bestimmung der Oberflächenenergie ......................................................................... 41
3.4 Optimierung der Versuchsparameter......................................................................... 43
3.5 Bemühungen zur Einbindung von Industriepartnern in das Projekt
„Holzbearbeitung mit einer Ultraschall-Wechselbeanspruchung“..................... 43
4 ASPEKTE DER NACHHALTIGKEIT...................................................................... 44
5 AUSBLICK / EMPFEHLUNGEN .............................................................................. 46
6 LITERATURVERZEICHNIS..................................................................................... 47
Seite 3

7 ABBILDUNGSVERZEICHNIS.................................................................................. 51
8 BEILAGE 1: ULTRASONIC-ASSISTED CUTTING OF WOOD ......................... 53
ABSTRACT ............................................................................................................................ 53
KEYWORDS .......................................................................................................................... 53
INTRODUCTION.................................................................................................................. 53
MATERIALS AND METHODS........................................................................................... 54
Wood species........................................................................................................................... 54
Ultrasonic cutting device .......................................................................................................55
Cutting experiments............................................................................................................... 56
RESULTS................................................................................................................................ 56
Influence of Chip Thickness on Normalized Forces in CC and UC .................................. 57
Influence of Ultrasonic Vibration Amplitudes on Normalized Cutting Forces................ 58
DISCUSSION ......................................................................................................................... 58
CONCLUSIONS.....................................................................................................................61
ACKNOWLEDGEMENTS................................................................................................... 61
REFERENCES....................................................................................................................... 61
TABLES .................................................................................................................................. 64
FIGURES ................................................................................................................................ 66
9 BEILAGE 2: SURFACE PROPERTIES OF WOOD AND MDF........................... 73
ABSTRACT ............................................................................................................................ 73
KEYWORDS .......................................................................................................................... 73
INTRODUCTION.................................................................................................................. 74
MATERIALS AND METHODS........................................................................................... 75
Materials ................................................................................................................................. 75
Ultrasonic-assisted cutting.....................................................................................................75
Seite 4

Surface Topography Analysis ............................................................................................... 76
Contact angle measurements................................................................................................. 76
RESULTS................................................................................................................................ 77
DISCUSSION ......................................................................................................................... 78
CONCLUSIONS.....................................................................................................................80
ACKNOWLEDGEMENTS................................................................................................... 81
REFERENCES....................................................................................................................... 81
TABLES .................................................................................................................................. 84
FIGURES ................................................................................................................................ 86
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Zusammenfassung- Teil A
Produkte aus Holz erfreuen sich stetig steigender Beliebtheit auf einem ökologisch
sensibilisierten Markt. Holz ist ein natürlicher Rohstoff und die ökologische Bedeutung des
Waldes als natürliche Lunge unbestritten. Eine ökonomische Verwertung von Holz sichert die
Existenz forstwirtschaftlicher Betriebe, wirkt der Überalterung des Baumbestandes und dem
Verlust seiner Schutzfunktion entgegen und erhält eine lebenswerte, auch für den Tourismus
attraktive Umwelt.
Auf dem Weg vom Baum zu einem fertigen Produkt, z.B. einem Möbelstück erfährt das
Material Holz verschiedene Bearbeitungsprozesse. Diese Bearbeitungen bestehen zu einem
großen Teil aus Zerkleinerungs- oder Trennprozessen (z.B. Sägen, Hobeln, Fräsen, Schleifen)
und eventuell nachfolgenden Oberflächenbehandlungen. Oft entstehen durch die Bearbeitung
nur mehr thermisch nutzbare Nebenprodukte wie Säge- oder Hobelspäne, aber auch
mikroskopische Partikel wie z.B. gesundheitsschädlicher Staub. Es ist daher wünschenswert
diese Prozesse dahingehend zu verändern, dass möglichst wenige und große Späne anfallen.
Weniger Abfall bedeutet auch eine bessere Verwertung des Rohstoffes und damit eine
gesteigerte Wertschöpfung.
Auf einem globalisierten Markt in einem verstärktem Wettbewerb mit
Billigproduktionsländern ist es für Österreich wichtig, hochqualitative Holzprodukte bei
wenig Abfall zu erzeugen. Innovative Bearbeitungsprozesse im Bereich der Holzbearbeitung
sind deshalb ein Beitrag zum aktiven Umwelt- und Naturschutz. Verbesserte
Holzbearbeitungsverfahren sichern die Konkurrenzfähigkeit österreichischer
Qualitätsprodukte, sie schaffen und sichern Arbeitsplätze und unterstützen dadurch eine
nachhaltige Entwicklung.
Im Rahmen des „Fabrik der Zukunft“ - Projektes „Holzbearbeitung mit Überlagerung einer
Ultraschall-Wechselbeanspruchung“ wurde am Institut für Physik und
Materialwissenschaften, Department für Materialwissenschaften und Prozesstechnik, der
Universität für Bodenkultur der Prototyp einer neuartigen Holzbearbeitungsanlage entwickelt.
Diese Anlage beruht auf dem Prinzip einer feststehenden Klinge, ähnlich wie sie in einem
„Handhobel“ oder dem „Drehmeißel einer Drehbank“ verwendet wird. Das Werkstück wird
an der Klinge vorbeigeführt und dadurch bearbeitet. Der wesentliche Unterschied zwischen
konventioneller Bearbeitung und jener mit überlagerter Ultraschall-Wechselbeanspruchung
besteht darin, dass der feststehenden Klinge zusätzlich eine hochfrequente, harmonische
Schwingung in Schnittrichtung (oder in kleinem Winkel dazu geneigt) überlagert wird. Die
Werkzeugspitze führt etwa 20 000 Schwingungen pro Sekunde aus, wobei diese
Schwingungsfrequenz oberhalb des hörbaren Bereiches liegt, die Schwingung also keinen
Lärm verursacht. Die Bewegungsamplitude selbst ist relativ klein und liegt im Bereich von
hundertstel Millimetern.
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Zusammenfassung- Teil B
Beim Bau der Anlage wurde großen Wert auf den Aspekt der Energieeffizienz gelegt. Der
mechanische Aufbau nützt das Resonanzprinzip aus, d.h. die geeignete Dimensionierung der
mechanischen Teile führt dazu, dass sie eine Resonanzschwingung ausführen können.
Dadurch kann die notwendige Schwingungsamplitude bei geringer Energiezufuhr aufrecht
erhalten werden. Eine hohe Effizienz der elektrischen Ansteuerung wurde durch die
Entwicklung einer robusten, getakteten Schaltendstufe erreicht, welche einen Betrieb mit
hohem Wirkungsgrad erlaubt. Eine Regelungseinheit ermöglicht eine Nachführung der
Schwingungsfrequenz auf die aktuelle Belastung und einen weit gehend automatischen
Betrieb der Anlage.
Mit der für das „Fabrik der Zukunft“ - Projekt neu entwickelten Ultraschallschneideanlage
wurden verschiedene Holz und Holzwerkstoffe bearbeitet, darunter Fichte, Buche und MDF.
Der wesentliche Vorteil der Ultraschall - überlagerten Holzbearbeitung ist dabei die deutliche
Verminderung der auftretenden Kräfte. Die zusätzlich auf das Messer aufgeprägte Kinematik
führt dazu, dass sich die notwendigen Schnittkräfte im Vergleich zur konventionellen
Bearbeitung auf weniger als die Hälfte reduzieren lassen. So konnten bei hohen
Schwingungsamplituden und langsamen Schnittgeschwindigkeiten Schnittkräfte gemessen
werden, die bei Buche nur mehr 20 % des Wertes ohne Ultraschallüberlagerung und bei
Fichte nur mehr 30 % betragen. Bereits bei technisch relativ einfach realisierbaren
Schwingungsamplituden von etwas mehr als 10 Mikrometern reduziert sich die notwendige
Schnittkraft auf etwa 50 % des ohne Ultraschall-Vibrationen notwendigen Wertes. Die
Verminderung der Schnittkraft ist allerdings wesentlich von der Schnittgeschwindigkeit
abhängig. Schneidversuche mit MDF zeigen, dass die Schwingungsamplitude (in
Mikrometer) etwa 25 mal die Schnittgeschwindigkeit (in Meter pro Sekunde) sein sollte,
damit sich die Schnittkraft etwa halbiert. Bedeutung kommt auch den Hauptschnittrichtungen
bei Holz zu. Im Falle von Fichte wurde sowohl bei Längs- und Tangentialschnitten eine
Kraftreduktion festgestellt, jedoch war sie im Fall des Längsschnitts ausgeprägter.
Die mittels Ultraschall - überlagerter Bearbeitung gewonnenen Oberflächen sind in weiten
Bereichen ähnlich zu jenen nach konventioneller Bearbeitung. So war im Rahmen der
statistischen Streuung die Oberflächenrauhigkeit nach dem Schneiden mit einem scharfen
Messer ähnlich und die Benetzbarkeit vergleichbar. Erst bei hoher Vergrößerung lassen sich
kleine Eindrücke und mikroskopische kleine Röllchen auf den mit Ultraschallüberlagerung
geschnittenen Oberflächen erkennen. Messungen der Oberflächenenergie zeigen eine
Änderung der basischen Komponente woraus sich Einflüsse auf die Oberflächenchemie
folgern lassen.
Die Überlagerung von Ultraschallschwingungen auf Werkzeuge ist somit eine viel
versprechende neue und technisch machbare Methode zur Holzbearbeitung. Die Anwendung
dieses Verfahrens ist energieeffizient und betriebssicher möglich. Sowohl eine Verwendung
in ähnlicher Konfiguration wie die Pilotanlage als auch eine Anpassung an eine bestehende
Holzbearbeitungsmaschine ist realisierbar. In beiden Fällen kann auf das im vorliegenden
Projekt gewonnenen Know-How aufgebaut werden.
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Summary - Part A
Wood products enjoy constantly rising popularity on an ecologically sensitised market. Wood
is a natural material and the ecological importance of forests as natural lungs is unquestioned.
An economic utilization of wood secures the existence of forest enterprises, counteracts
obsolescence and loss of protective function of trees, and conserves an environment worth
living and attractive for the tourism.
On the way from the tree to a finished product, e.g. a piece of furniture the material wood
experiences different processes. Processing mainly consists of cutting or separation (e.g.
sawing, planing, milling, sanding) and possible successive surface treatments. By-products
like chips and microscopic particles like health-injuring dust are frequently produced, which
can solely be thermally utilized in most cases. Desirably these processes are improved to
produce fewer and larger chips. In addition, less waste means a better utilization of the raw
material and thus an increased creation of value.
In a global market with intensified competition with cheap production countries, it is
important for Austria to produce high-quality wood products with little waste. Innovative
wood processing techniques are therefore a contribution for active environment and nature
protection. Improved wood processing procedures secure the competitive power of Austrian
quality products. They create and secure jobs and support thereby a sustainable development.
In the "Fabrik der Zukunft" - project "Wood processing with superimposed ultrasonic
vibrations" the prototype of a new wood processing equipment has been developed at the
Institute of physics and material sciences, department of material sciences and process
technique at the university of natural resources and applied life sciences in Vienna. This
equipment is based on the principle of a fixed blade, similarly to the tool in a hand held planer
or a turning lathe. The workpiece passing the blade and is processed. The substantial
difference of conventional and ultrasonic processing is the blade, which performs a harmonic
oscillation at ultrasonic frequency in (or somewhat inclined to) the cutting direction. The
knife performs about 20,000 oscillations per second, which is above the audible range and the
vibrations cause no noise therefore. The vibration amplitude is relatively small and lies within
the range of several ten micrometers.
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Summary - Part B
The equipment was built considering the aspect of energy efficiency. The mechanical
structure is based on resonance principles, i.e. appropriate shape of the mechanical parts
allows the generation of resonance vibrations. The necessary vibration amplitudes are
obtained with small power input. High efficiency use of electric power was realized using a
switching amplifier. A control unit adjusts the oscillating frequency depending on the actual
loading conditions and makes semi-automatic operation possible.
The ultrasonic equipment developed within the "Fabrik der Zukunft" - project served to cut
different woods and wood composites including spruce, beech and MDF. The substantial
advantage of ultrasonic assisted cutting is the pronounced reduction of forces. The additional
kinetics of the knife may reduce the necessary cutting forces to less than half compared with
conventional cutting. At large vibration amplitudes and slow cutting speeds, the measured
cutting forces in beech and spruce were 20 % and 30 %, respectively of the values measured
without superimposed ultrasonic vibrations. At vibration amplitudes of somewhat more than
10 micrometers, which may be realized easily, the necessary cutting force decreases to
approximately 50 % of the initial value. However, the reduction of cutting forces depends
substantially on the cutting velocity. Cutting experiments with MDF show that the vibration
amplitude (in micrometers) should be about 25 times the cutting velocity (in meters per
second), to approximately halve the cutting force. The cutting direction additionally
influences the obtained results. Cutting spruce in longitudinal and in tangential direction,
reduced cutting forces were found, however, the effect was larger for longitudinal cutting.
Surfaces produced with ultrasonic assisted cutting are in general similar to the surfaces
produced with conventional cutting. Surface roughness and wettability were comparable after
cutting with a sharp knife. At large magnifications, however, small impacts of the knife and
micro-reels are visible on surfaces produced by ultrasonic cutting. Measurements of the
surface free energy show changed base component and surface chemistry affected by
ultrasonic cutting may be concluded therefore.
Superimposing ultrasonic vibrations on tools is a promising new and technically feasible
method for wood processing. The application of this technique is energy efficient and reliable.
Layout similar to the developed equipment may be used or it can be adapted to already
existing wood processing equipment. In both cases, knowledge accumulated within this
project may be used.
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1 Einleitung
In Rahmen dieses Projekts wurde ein innovatives Holzbearbeitungsverfahren entwickelt,
welches zu einer sparsamen Nutzung natürlicher Ressourcen beiträgt. Es werden Ultraschall-
Resonanzschwingungen für die Holzbearbeitung eingesetzt werden, um die notwendigen
Trennkräfte beim Schneiden und Spalten von Holz und Holzwerkstoffen markant zu
reduzieren, definierte Trennflächen zu erhalten und die Trennenergie zu minimieren. Das zu
bearbeitende Holzstück erfährt eine kombinierte statische und dynamische Belastung.
Verminderte Kräfte führen zu kleineren Deformationen der Holzoberfläche, wodurch in
einem technischen Prozess eine entscheidende Verbesserung der Oberflächenqualität der
entstehenden Holzprodukte auch bei dünnen Schnitten möglich ist. Weitere damit verbundene
Vorteile sind die Reduktion der Abfälle (Holz), die Verminderung der Abnutzung der
Maschine / der Werkzeuge und folglich die Erhöhung der Maschinenlebensdauer.
Die Idee der Überlagerung von Ultraschallschwingungen ist am Institut für Physik und
Materialwissenschaften seit vielen Jahren bei verschiedenen wissenschaftlichen
Untersuchungen verwendet worden. Das Projekt gliedert sich in 2 Phasen. In Projektphase I
wurde die Entwicklung und Optimierung der Einrichtung zur Holzbearbeitung mit
Ultraschallüberlagerung durchgeführt. In Projektphase II erfolgte eine Anwendung derselben
zur Optimierung der Holzbearbeitung mit Ultraschallüberlagerung sowie eine
Grundlagenforschung über die Verformungsmechanismen. Parallel dazu wurde laufend
sowohl der mechanische als auch der elektronische Aufbau optimiert und den
Notwendigkeiten angepasst.
Der Einsatz des in diesem Projekt gewonnenen Wissens über eine optimale Möglichkeit der
Holzbearbeitung kann der österrreichischen Holz bearbeitenden und Werkzeug herstellenden
Industrie zugute kommen. Dadurch wird die Zusammenarbeit und Kooperation zwischen
universitärer Forschung und Industrie verstärkt. Die Ultraschallüberlagerung bei der
Holzbearbeitung eröffnet eine neue Anwendungsmöglichkeit dieses Verfahrens und kann
Österreich eine führende Rolle auf diesem Gebiet sichern. Das Verfahren stellt eine
nachhaltige, innovative Technologie dar, bei der ein nachwachsender Rohstoff bearbeitet
wird.
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1.1 Literatur
Trennverfahren unterstützt durch Überlagerung von leistungsstarken
Ultraschallschwingungen stellen eine der ältesten Anwendungen der Ultraschalltechnik dar.
Dabei wird ein Werkzeug in Schwingung bei Ultraschallfrequenz versetzt und diese
Schwingung der eigentlichen Trennbewegung überlagert. Abb. 1.1.1 zeigt im Prinzip die
Bewegung der Werkzeugspitze als Funktion der Zeit. Die Gesamtbewegung setzt sich aus
einer linearen Bewegung (dem Vorschub) und der harmonisch überlagerten
Ultraschallschwingung zusammen.
Bewegung der
Werkzeugspitze
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Mit Ultraschall-
Ohne Ultraschall-
Abb. 1.1.1: Bewegung der Werkzeugspitze mit und ohne Ultraschallüberlagerung
Typische Kennwerte für Ultraschallschwingungen sind: Frequenzen um 20 kHz,
Schwingungsamplituden bis etwa 50 �m, Geschwindigkeitsamplituden bis etwa 6,3 m/s.
Hauptsächlich sind zwei Trennverfahren unter Überlagerung von Ultraschallschwingungen in
Verwendung:
1. Zwischen der Werkzeugspitze und der Oberfläche des Werkstücks befindet sich eine
Schleifsuspension. Die Schleifmittelkörner werden durch die Vibration des Werkzeuges in
schnelle Bewegungen versetzt und tragen so das Material unter dem Werkzeug ab
(Abb. 1.1.2a). Diese Methode eignet sich gut für die Bearbeitung von harten und spröden
Materialien wie etwa Glas, Keramik oder Edelsteine, da ein Absplittern des Materials
während der Bearbeitung weit gehend vermieden wird [1-3].
2. Die Werkzeugspitze befindet sich in (zumindest zeitweiligem) Kontakt mit der Oberfläche
des Werkstücks, und es wird auf den Einsatz eines Schleifmittels verzichtet. Die
Ultraschallvibration des Werkzeugs dient vor allem der Reduktion der aufzubringenden
Schnittkräfte (Abb. 1.1.2b).
Zeit

a) b)
Abb. 1.1.2: Zwei grundlegende Ultraschall-Trennverfahren: a) mit und b) ohne
Schleifsuspension
Eine mögliche Erklärung für den Einfluss des Ultraschalls auf die Materialbearbeitung ist die
Schädigung und Trennung des Materials durch die periodische Krafteinwirkung. Anstelle
einer statischen Kraft, die zur Durchführung desselben Trennprozesses ohne Ultraschall
notwendig wäre, tritt eine rasche Abfolge von Mikrokollisionen verursacht durch die
Ultraschallüberlagerung. Wird das Werkzeug an das zu bearbeitende Material gedrückt, so
hebt sich aufgrund der Ultraschallvibration die Spitze des Werkzeugs periodisch vom
Werkstück ab, um folgend mit einer Frequenz von 20 kHz gegen das Werkstück zu schlagen.
Der Impuls- und Energieübertrag führt dazu, dass mit dem vibrierenden Werkzeug unter
wesentlich geringerem Kraftaufwand gearbeitet werden kann [4].
Eine andere mögliche Erklärung für die Reduktion der Schnittkraft basiert darauf, dass
Schnittkräfte zu einem wesentlichen Teil auf Reibungskräfte zwischen Werkzeug und
Werkstück zurückzuführen sind. Das durch die Ultraschallvibration bedingte Abheben des
Werkzeugs während des Schnitts führt zu einem verringerten Kontakt mit dem zu
schneidenden Material und die verminderte Reibung zu einer Verringerung der notwendigen
Schnittkräfte [5, 6].
Der hauptsächliche Effekt der Ultraschallschwingung ist in jedem Fall eine Verminderung der
Trennkraft, die zum Abtragen, Spalten oder Schneiden des Materials notwendig ist. Diese
Verminderung kann mehrere positive Auswirkungen haben, wie beispielsweise eine höhere
Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstückes und eine Verminderung des
Werkzeugverschleißes [4].
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Schneiden mit Ultraschallüberlagerung wird technisch u.a. in der Lebensmittelindustrie
eingesetzt, wobei die hohe Beschleunigung der Schneide (mehrere 100.000 ms -2 ) ein
Anhaften des Lebensmittels an der Schneide verhindert. Die Verminderung der Schnittkraft
reduziert die Verformung beim Schnitt. Verminderungen in der Schneidkraft liegen im
Bereich zwischen 20 und 90 % [7]. In der Textilindustrie werden Ultraschallschwingungen
zum Schneiden von Textilien verwendet. Die einzelnen Teile werden von einem Messer
durchtrennt und gleichzeitig an den Trennflächen erwärmt. Ultraschallschneiden führt bei
Naturfasern zu einem fusselfreien Trennen und bei Mischgeweben und rein synthetischen
Geweben zum Verschmelzen der Schnittkanten, welche dabei abgeschlossen und versiegelt
werden. Schließlich findet die Methode Anwendung in der Zahnmedizin als präzisere
Alternative zum landläufig bekannten Bohren [8, 9].
Die Methode der Ultraschallüberlagerung bei der Holzbearbeitung wurde in der
Vergangenheit nur vereinzelt untersucht. In der Literatur existiert nur eine Studie über das
Schneiden von Buche und Zypresse mit Ultraschallüberlagerung [10]. Eine systematische
Erforschung des Einflusses der Ultraschallüberlagerung auf Trennkraft und
Oberflächenqualität ist nicht zu finden.
Für konventionelle Holzbearbeitungsmethoden sind hingegen eine Vielzahl von Studien über
die Reduktion der Trennkraft und die Optimierung der Oberflächen- und Bearbeitungsqualität
vorhanden. Einflussgrößen beim Schneiden und Spalten, welche die notwendige Trennkraft
[11] und die Oberflächenqualität [12, 13] mitbestimmen, sind in der Literatur dokumentiert.
Diese Einflussfaktoren sind Verformungsgeschwindigkeit, Form und Material der Schneide
und des Messers [14] sowie Schneidrichtung relativ zur Faserrichtung des Holzstückes.
Andererseits spielt Holzart, Mikrostruktur [15], Feuchtigkeitsgehalt [16], Bruchenergie [17],
Oberflächenbeschaffenheit, Oberflächenenergie [18, 19] und Oberflächenrauhigkeit eine
wichtige Rolle [20].
Publikationen über Ultraschallbearbeitung beschäftigen sich einerseits mit der abrasiven
Ultraschallzerspanung unter Zuhilfenahme einer Schleifsuspension [2, 3, 21], andererseits mit
der Schnittkraftverringerung bei herkömmlicher Bearbeitung. So wurde die
Schnittkraftreduktion durch Ultraschallvibrationen bereits anhand der Bearbeitung von
Metallen [22-24], Keramiken oder Gläsern [25-27] und optischen Kunststoffen [28] erforscht.
Die positiven Resultate legen die Vermutung nahe, dass weitere industrielle Anwendungen
dieser Methode bald realisiert werden können.
Seite 14

Möglichkeiten für die Holzbearbeitung
Für die ultraschallüberlagerte Holzbearbeitung ist ein wesentlicher Effekt die Verminderung
der Schnittkraft. Dadurch lassen sich günstige Auswirkungen erwarten, wie beispielsweise:
- Qualitativ hochwertigere Schnittflächen (beispielsweise Vermeidung von
-
Kantenausbrüchen und glattere Oberflächen, möglicherweise Vermeidung einer
Nachbearbeitung)
Verminderung von Werkzeugverschleiß und Holzabfall
- Definiertere Schnittführung, insbesondere bei dünnen Schnitten
- In bestimmten Fällen ersetzen von Fräsen durch lineares Schneiden
- Verbesserung der Bearbeitungsmöglichkeit von Holz zur Verbesserung seiner Stellung
im Vergleich mit anderen Werkstoffen
Randbedingungen für die Entwicklung einer ökonomisch und ökologisch interessanten
Anlage sind:
- Hohe Energieeffizienz
- Definierte und kontrollierte Bewegungen des Werkzeuges zum Erhalt
-
reproduzierbarer Bearbeitungsergebnisse
Niedrige Herstellungs- und Betriebskosten
- Hohe Robustheit, sowohl des mechanischen als auch des elektrischen Systems
- Einfache Bedienung
Die Arbeiten des Projektes zielen unter anderem darauf ab, den nachhaltigen Werkstoff Holz
energieeffizient und ökonomisch rentabel zu bearbeiten und die günstigen Auswirkungen der
Ultraschallüberlagerung in einem technischen Prozess zu nützen. Die Beachtung der
Randbedingungen ist notwendig, damit die Bearbeitungsmethode in der industriellen
Anwendung konkurrenzfähig ist.
Seite 15

2 Arbeiten zur Projektphase I: Entwicklung und
Optimierung der Einrichtung zur Holzbearbeitung mit
Ultraschallüberlagerung
2.1 Entwurf und Bau der elektronischen Regeleinheit und des
Ultraschallverstärkers
Eine wichtige Erkenntnis der ersten Versuche war, dass ein elektrischer Aufbau analog zu
dem in Materialprüfanlagen verwendeten zu erheblichen Schwierigkeiten und Problemen
führt. Die wesentlichen Probleme im elektrischen und elektronischen Bereich sind:
�� Mit den für die Materialprüfung verwendeten Ultraschallverstärkern ist die
Forderung einer energieeffizienten Bearbeitungsmethode nicht im gewünschten
Maße zu erfüllen. Insbesondere ist der Wirkungsgrad dieser Verstärker stark vom
mechanischen Belastungszustand abhängig. Auch diverse Änderungen an diesen
Verstärkern brachten keine wesentliche Verbesserung. Es muss ein
Verstärkerkonzept mit hohem Wirkungsgrad für variierende Belastungen
entwickelt werden.
�� Die Anlagen für die Materialprüfung sind komplex, in der Herstellung teuer und es
müssen umfangreiche Schutzmaßnahmen vorgesehen werden. Für den
beabsichtigten Verwendungszweck sollte die Anlage wesentlich einfacher,
automatisiert und betriebssicher ausgelegt werden. Andererseits sollen
verschiedene Messwerte, die für die Materialprüfung unerheblich sind
(beispielsweise die aufgewendete Wirkleistung) einer Messung zugänglich
gemacht werden.
�� Die exakte Bestimmung der Ultraschall-Schwingungsamplitude erfordert die
Messung der Bewegungsamplitude mit einer entsprechenden Sonde. Das
Anbringen einer Sonde nahe der Schneide ist bei der Materialbearbeitung störend
und soll entfallen.
�� Das Signal der Sonde wird in Materialprüfanlagen für die Regelung der
Schwingungsamplitude und der Resonanzfrequenz verwendet. Die Steuerung von
Ultraschallamplitude und Ultraschallfrequenz soll durch ein stabiles, von einer
Bewegungsmessung mit einer Messsonde unabhängiges System ersetzt werden.
Seite 16

Nachfolgend sind die Probleme mit dem ursprünglich verwendeten Aufbau, der Hintergrund
zu deren Lösung und die Wirkungsweise der neu entwickelten elektronischen und
elektrischen Komponenten beschrieben.
Ultraschallverstärker
Sinusverstärker
Für die Materialprüfung mit Ultraschall wird ein Leistungsverstärker analog einem Audio-
Verstärker (Sinusverstärker) verwendet. Das ist notwendig, um die für diesen
Verwendungszweck notwendige hohe Präzision bei kleinem Klirrfaktor zu garantieren. Was
die Leistungsabgabe des Verstärkers betrifft, funktionieren diese, kurz und vereinfachend
zusammengefasst, folgendermaßen:
Die Verstärker haben eine interne Betriebsspannung (z.B. ± 65 Volt). Eine geeignete
Regelung erzeugt ein sinusförmiges Signal in richtiger Phasenlage und richtiger Frequenz, um
damit den Ultraschallkonverter in Resonanz anzuspeisen. Proportional zum Eingangssignal
gibt der Verstärker ein niederohmiges Sinussignal ab, das maximal einen Spitzenwert von
etwa ± 65 Volt (bzw. eine Effektivspannung von ca. 46 Volt) erreichen kann. Das
Ausgangssignal wird erzeugt, indem jeweils die verbleibende Spannung zur Betriebsspannung
im Verstärker abfällt - siehe Abb. 2.1.1.
U, I
Im V
Am Schwinger abfallende Spannung
Seite 17
Positive Betriebsspannung
Negative Betriebsspannung
Abb. 2.1.1: Prinzip von Spannung und Strom bei einem Sinusverstärker: Die im
Verstärker abfallende Spannung ist gleich der Ausgangsspannung minus
der Betriebsspannung. Die im Verstärker in Wärme umgewandelte
elektrische Leistung ergibt sich aus der abfallenden Spannung und dem
fließenden Strom.
U
I

Ist beispielsweise der Widerstand des Ultraschallkonverters 13 Ohm, dann fließt bei einer
maximalen Effektivspannung von 46 Volt ein Strom von effektiv 3,5 Ampere und es wird
eine Leistung von ca. 160 Watt übertragen - das ist etwa die Leistung eines
Ultraschallverstärkers für die Materialprüfung. (Es ist vereinfachend angenommen, dass die
Impedanz eine rein ohmsche Last ist.) Ist die Impedanz des Ultraschallkonverters höher, wie
beispielsweise 50 Ohm, dann wird bei effektiv 46 Volt nur 42 W übertragen. Um die
Nennleistung des Verstärkers von 160 W zu erreichen, muss die Ausgangsspannung des
Verstärkers auf 89 Volt effektiv transformiert werden. Man nennt die richtige Wahl der
Ausgangsspannung Leistungsanpassung.
Die Anpassung der Ausgangsspannung an die Impedanz des Ultraschallkonverters erfolgt
über einen Transformator - bei Ultraschallfrequenz ist das ein Ferrit-Transformator. In Abb.
2.1.1 ist die an die Primärseite des Anpassungstransformators abgegebene Spannung, die im
Verstärker abfallende Spannung und der im Verstärker (und auf der Primärseite des
Transformators) fließende Strom gezeigt. Bei günstiger Anpassung an die Impedanz des
Ultraschallkonverters ist die übertragene Leistung (welche sich aus Strom, Spannung und der
Phase zwischen Strom und Spannung ergibt) etwa 50 % der aufzuwendenden Leistung. Die
restliche Leistung wird im Verstärker in Wärme umgewandelt.
Ein Wirkungsgrad von 50 % wäre akzeptabel, wird allerdings nur dann erreicht, wenn die
Leistungsanpassung optimal ist. Eine Schwierigkeit ist allerdings, dass sich die Impedanz des
Systems sehr stark ändern kann. So wurden für die Impedanz je nach Messer im
freischwingenden Zustand Werte zwischen 15 und 120 Ohm und unter Belastung Werte
zwischen 30 und 300 Ohm gemessen.
Eine Leistungsanpassung an unterschiedliche Impedanzen kann durch einen Transformator
mit mehreren Anzapfungen prinzipiell bewerkstelligt werden. Allerdings ergibt sich durch die
Variation der Impedanz ohne und mit Belastung ein weiteres Problem: Wird die
Leistungsanpassung für den frei schwingenden Zustand (wenn das System niederohmig ist)
vorgenommen, dann ist ein Ultraschallverstärker mit hoher Nennleistung notwendig, um die
erforderliche Spannung während des Bearbeitungsvorganges (wenn das System hochohmig
ist) bereitzustellen.
Wird die Leistungsanpassung für den belasteten Zustand ausgelegt, die Spannung also
entsprechend hoch transformiert, dann ergeben sich Probleme, sobald das Werkzeug den
Kontakt zur Holzoberfläche verliert. In diesem Fall wird das System niederohmig und die
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Spannung muss sehr schnell reduziert werden, damit die hohen Ströme (und die daher im
Verstärker anfallende hohe thermische Belastung) den Verstärker und den
Ultraschallkonverter nicht überlasten.
Diese Probleme lassen sich durch Kontrollschaltungen prinzipiell beheben. So wäre es
beispielsweise möglich, die Betriebsspannung der aktuellen Impedanz nachzuführen.
Allerdings ist in jedem Fall mit recht komplexen Adaptionen und einem letztendlich
komplexen und teuren Aufbau zu rechnen. Außerdem ist der maximale Wirkungsgrad mit ca.
50 % begrenzt, wobei dieser Wirkungsgrad nur bei sehr günstigen, wenig veränderlichen
Impedanzen erreicht wird. Ein niedriger Wirkungsgrad widerspricht der in den
Randbedingungen geforderten Energieeffizienz. Aufgrund dieser Überlegungen wurde
letztendlich dieses Verstärkerkonzept verworfen.
Getaktete Schaltendstufe
Ein Verstärkerprinzip, das prinzipiell einen sehr hohen Wirkungsgrad hat, ist eine getaktete
Schaltendstufe. Im Rahmen des Projektes wurde ein derartiger Verstärker entwickelt und es
zeigt sich, dass er für die Anwendung zur ultraschallüberlagerten Holzbearbeitung gut
geeignet ist. Der Verstärker entspricht dem Prinzip der Energieeffizienz, da der Wirkungsgrad
90 % (oder mehr) beträgt. Er ist bezogen auf die Ausgangsleistung klein, leicht, preisgünstig
und kann auf einfache Weise Kurzschluss- und Überlast-geschützt werden.
Das Prinzip der Spannungen und Ströme einer getakteten Schaltendstufe ist in Abb. 2.1.2.
gezeigt. Im Gegensatz zum Sinusverstärker wird dabei nicht ein vorgegebenes Signal
verstärkt, sondern die Primärseite des Anpassungstransformators direkt mit der
Betriebsspannung des Verstärkers angesteuert. Dadurch fällt im Verstärker keine
nennenswerte Spannung ab. Der Strom auf der Primärseite des Anpassungstransformators
(und im Verstärker) ist ebenfalls in Abb. 2.1.2 gezeigt. Es fließt nur während des Taktes
Strom, sodass in den Pausen zwischen den Takten keine Leistung verbraucht wird.
Sekundärseitig - also im Ultraschallkonverter - kann während dieser Zeit Strom fließen,
sodass das System nicht gedämpft wird.
Seite 19

U, I
Positive Betriebsspannung
Seite 20
Negative Betriebsspannung
Abb. 2.1.2: Prinzip von Spannung und Strom bei einer getakteten Schaltendstufe: Die
ausgegebene Spannung ist gleich der Betriebsspannung, sodass im
Verstärker (fast) keine Spannung abfällt und dementsprechend (fast)
keine Wärme anfällt. Die Leistungssteuerung erfolgt über die Pulsbreite.
Zwischen den Pulsen ist der Verstärker offen, sodass im Verstärker kein
Strom fließen kann.
Anfänglich bestanden aufgrund des bei rechteckigen Signalen sehr hohen Anteils an
Oberwellen Befürchtungen. Allerdings werden diese Oberwellen - wegen der hohen
mechanischen Güte des Systems - fast vollständig gedämpft. Auch erwiesen sich die
verwendeten Ultraschallkonverter als standfest gegenüber dieser harten Form der
Ansteuerung. Allerdings resultierte aus der Verwendung einer neuen Art von Verstärkern die
Notwendigkeit zur vollständigen Neukonstruktion der Resonanzregelung.
Bei der Konstruktion der Verstärker wurde ein weiteres technisch und ökonomisch sehr
interessantes Detail berücksichtig, nämlich der Verzicht auf einen Netztransformator. Es wird
die Stromversorgung direkt dem Netz entnommen, d.h.: nach einem HF-Filter (Entstörung)
werden die 230 VAC gleichgerichtet und geglättet, wodurch man 320V erhält. Durch in Serie
geschaltete Elektrolytkondensatoren wird ein "schwebender Mittelpunkt" erzeugt, sodass sich
im Leerlauf ca. ± 160V zur Versorgung der eigentlichen Schaltstufe ergeben. Die
Entkopplung der Ausgangsspannung von der Netzspannung erfolgt über den Ferrit-
Transformator, welcher (bei 20 kHz) etwa 1/5 der Größe und des Gewichtes eines
Netztransformators (bei 50 Hz) hat und in jedem Fall für die Leistungsanpassung notwendig
wäre und daher vorhanden ist.
Als messtechnisches Problem bei der Verwendung des Schaltverstärkers erwiesen sich
allerdings die in den Aufbau eingebrachten Störungen, da diese zu zusätzlichem Rauschen
U
I

und Störsignalen beispielsweise in den Messaufnehmern führten. In einem verbesserten
Aufbau des Verstärkers wurden diese Probleme durch zwei Erweiterungen deutlich
vermindert: Einerseits wurde in den Ausgang eine Induktivität geschaltet, welche keine
elektrische Leistung verbraucht, allerdings die Spannung wesentlich glättet. Andererseits
wurde eine Wahl der Spannung (niedrig oder hoch) durch Anzapfungen am Ferrit-
Transformator vorgesehen, sodass sich auch bei niedrigen Leistungen relativ breite Pulse
realisieren lassen. Derart konnten insbesondere die Probleme, welche bei kurzen Pulsbreiten
auftraten im wesentlichen behoben werden, wobei der prinzipielle Vorteil der hohen
Energieeffizienz des Schaltverstärker unberührt bleibt.
2.2 Messaufbau für Bestimmung der Regel- und Messgrößen
Um das System möglichst robust zu gestalten, wurde auf eine Rückkoppelung der Zielgröße,
d.h. der Schwingungsamplitude am Messer verzichtet. Stattdessen erfolgt die Regelung über
eine Strom- und Spannungsrückkopplung des Konverters, während über die Pulsbreite die
Leistungsaufnahme bei Resonanz und damit die Amplitude gesteuert wird.
Zur Messung der Schwingungsamplitude am Messer wurde ein Dehnungsmessstreifen DMS
an einem Schwingungsknoten am Messerhalter befestigt und die zeitunabhängige
Bewegungsamplitude mit Hilfe von Formel 1 entlang des Messerhalters berechnet
(Bewegungsamplitude u(x) entlang der Länge x, variabler Querschnitt A(x),
Schwingungskreisfrequenz �, Schallgeschwindigkeit c des schwingenden Materials).
Formel 1: Differentialgleichung der Schwingungsamplitude u(x) als Funktion der
Länge x einer zeitlich harmonischen Schwingung [29]
Seite 21

Abb. 2.2.1: a) Fotografie des zylindrischen Messerhalters mit Verminderung des
Querschnittes entlang der Länge
b) Dehnungsverlauf
c) Amplitudenverlauf
Seite 22
a)
b)
c)

In Abb. 2.2.1 sind die Ergebnisse einer solchen numerischen Berechnung für einen
Messerhalter mit einem Amplitudenverstärkungsfaktor von ca. 1,7 dargestellt. Abbildung
2.2.1a zeigt einen zylinderförmigen Messerhalter, mit symmetrisch um die Mittelachse sich
zweiseitig, linear verjüngenden Radius. In Abbildung 2.2.1b ist der Dehnungsverlauf entlang
des Messerhalters zu sehen. Die maximale Dehnung wird bei ca. 75 mm erreicht, während die
beiden Enden dehnungsfrei sind. In Abbildung 2.2.1c ist der korrespondierende
Amplitudenverlauf dargestellt. Die Bewegungsamplitude ist an den Enden maximal und
verschwindet beim Dehnungsmaximum. Durch die Querschnittsreduktion ergibt sich vom
linken Ende zum rechten Ende eine Amplitudenverstärkung um den Faktor 1,7.
Der in Abb. 2.2.1 gezeigte Messerhalter ist eine von mehreren Formen, die im Rahmen dieses
Projektes entwickelt wurde. Insbesondere die Massenverteilung entlang der Länge ist
wesentlich für die elektrische Impedanz und die Stabilität der mechanischen Schwingung. Es
wurden daher, je nach messtechnischem Aufbau, unterschiedliche Messerhalter verwendet.
2.3 Softwareentwicklung zur Datenerfassung und Verarbeitung der
Messgrößen
Die während der verschiedenen Experimente gemessenen Kräfte wurden mit einem Paar von
3-Richtungs-Piezosensoren gemessen, die mechanisch an den Ultraschallaufbau angekoppelt
sind. Die Sensoren liefern ein elektrisches Signal, welches verstärkt und über einen Analog-
Digital-Wandler (AD-Wandler) computerunterstützt erfasst und verarbeitet wird. Zu diesem
Zweck wurde ein LabVIEW ® -Programm entwickelt, welches die kraftproportionalen
Spannungssignale aus dem AD-Wandler ausliest und in Kraftwerte übersetzt. Das Programm
arbeitet mit einstellbarer Abtastrate; je nach Anzahl benötigter Messkanäle lassen sich damit
bis zu 200.000 Messwerte pro Sekunde abtasten (1 Kanal). Zusätzlich zu den Kraftsignalen
wurde die Aufzeichnung der gleichgerichteten und gemittelten Dehnungsamplitude
zeitsynchron mit dem Kraftsignal implementiert. Aufgrund des „Nyquist Sampling
Theorems“ lassen sich unter Verwendung von 7 Kanälen damit Frequenzanteile bis 14.286 Hz
messen, was noch deutlich über der Eigenresonanz des Sensoraufbaus bei ca. 3000 Hz und
unter der Schwingungsfrequenz des Ultraschallkonverters liegt. Um Signalverfälschungen
durch Aliasing zu verhindern wurde ein digitaler Butterworth-Tiefpassfilter sechster Ordnung
dem LabVIEW ® -Programm hinzugefügt. Dieser Filter wurde mit einstellbarer Grenzfrequenz
programmiert und stellt einen Kompromiss zu einem elektronisch realisierten Filter dar.
Seite 23

Abb. 2.3.1: Elektrischer Aufbau (von unten) - Schaltverstärker mit wählbarem
Leistungsbereich, Anpassungs-Induktivität, Messeinheit für Strom- und
Spannung und Überlastschutz, Regel- und Anzeigeeinheit, Messverstärker
für Kraftsensoren, Oszilloskop 1 zur Anzeige von Strom und Spannung,
Oszilloskop 2 zur Anzeige der Schwingungsamplitude
Ein Bild des aktuell verwendeten Aufbaus zeigt Abb. 2.3.1. Ganz unten ist der
Schaltverstärker (Maximalleistung ca. 1000 W) sichtbar, bei welchem zwischen zwei
Bereichen für die Ausgangsspannung gewählt werden kann. Die Induktivität ist gleichzeitig
ein Schwingkreis mit dem Ultraschallkonverter und außerdem wird die auf dem Konverter
anliegende Spannung verschliffen. Die Messeinheit für Strom- und Spannung dient zur
Bestimmung der Phasenlage und zur Kurzschlusssicherung. Die Regelung und Anzeige dient
einerseits zur Regelung der Frequenz und andererseits zur Einstellung und Anzeige von
Prozessparametern. Die Frequenzregelung basiert auf einer Phasenrückkoppelung zwischen
Strom und Spannung. Anzeigen (Spannung, Strom, Wirkleistung, Frequenz) und
Seite 24

Einstellpotentiometer (Pulsbreite zur Einstellung der Leistung, Rückkoppelungsstärke für
Frequenzregelung und Leistungsabgabe, Startfrequenz für die Resonanzregelung) sind
sichtbar. Der Messverstärker für die Kraftsensoren dient zur Verstärkung der Signale, wobei
im gezeigten Fall 4 Kraftsensoren angeschlossen sind. Am Oszilloskop 2 ist die
Schwingungsamplitude sichtbar. Auf dem darunter befindlichen Oszilloskop 1 ist das
Spannungssignal und der fließende Strom sekundärseitig gezeigt.
2.4 Optimierung und Dimensionierung der Ultraschallwerkzeuge / Aufbau
der mechanischen Versuchsteile
Die Anforderungen an den mechanischen Aufbau der Ultraschall-Schneidanlage richten sich
nach Wirtschaftlichkeit, Verfügbarkeit und Eignung des verwendeten Werkstoffes, nach einer
guten mechanischen Stabilität, guten Schwingungseigenschaften und einer ausreichenden
Verstärkung der vom Ultraschallkonverter erzeugten Schwingungen. Wirtschaftlichkeit
bedeutet beispielsweise, dass der Preis des Materials etwa vergleichbar mit jenem
konventioneller Anlagen zur Holzbearbeitung sein muss. Zudem sollen die Werkzeughalter
leicht gefertigt und montiert werden können. Gute Schwingungseigenschaften bei geringer
Dämpfung weisen vor allem hochfeste Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen auf,
welche auch meist für Ultraschallanwendungen verwendet werden.
Abb. 2.4.1: Mechanischer Aufbau - Ultraschallkonverter (Transducer), Halterung für
die Einleitung der statischen Schnittkräfte (Mounting Device),
Werkzeughalter (Tool Holder) und angelötete Klinge (Knife). Die
Bewegungsamplitude entlang der Länge ist gezeigt.
In der vorgesehenen Anwendung zur Holzbearbeitung haben Aluminiumlegierungen
hauptsächlich drei Nachteile, nämlich die geringe Korrosionsresistenz, die relativ starke
Temperaturempfindlichkeit (ab ca. 150 °C) und die geringe Abriebfestigkeit. Im aktuellen
Aufbau wurde deshalb - mit Ausnahme des Ultraschallkonverters - auf die Verwendung von
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hochfesten Aluminiumlegierungen verzichtet, auch wenn dieser Werkstoff für mechanische
Teile mit Ausnahme des Messers geeignet ist (und sich bei einigen Versuchen bewährt hat).
Titanlegierungen haben als hauptsächlichen Nachteil die problematische Fügbarkeit. In ersten
Versuchen wurde dieser Werkstoff für die Herstellung von Messern mit gutem Erfolg
verwendet. Das Schneidplättchen oder das Messer muss allerdings mit dem Werkzeughalter
fest verbunden sein. Das wurde durch eine Schraubverbindung mit zusätzlicher Verklebung
realisiert. Auch wenn diese Methode für Laborversuche geeignet ist, so dürften im
praktischen Betrieb möglicherweise Probleme auftreten, wenn sich die Schneide stärker
erwärmt und die Verklebung schadhaft wird.
Als geeigneter Werkstoff für den Werkzeughalter erwiesen sich einige höherfeste Stähle,
insbesondere wärmebehandelte Werkzeugstähle. Insbesondere lassen sich mit diesen
Werkstoffen Schneidplättchen und Messer durch Löten sehr fest und temperaturresistent
befestigen. Allerdings sind die Schwingungseigenschaften auch der am besten geeigneten
Stähle schlechter als von Titan- oder Aluminiumlegierungen. Der Aufbau erfolgte deshalb
unter Verwendung verschiedener Werkstoffe (Aluminium beim Ultraschallkonverter,
Titanlegierung bei der Halterung und Stahl beim Werkzeughalter). Da der
Ultraschallkonverter und die Halterung keine Verschleißteile sind, ist auch der höhere Preis
dieser Werkstoffe ökonomisch vertretbar.
Die Forderung nach einer hohen Schwingungsamplitude lässt sich durch Verstärkung der
Schwingung realisieren. Dabei ist die Amplitudenverstärkung weitgehend vom Design,
insbesondere von der Änderung des tragenden Querschnittes entlang der Länge, abhängig. Es
wurden verschiedene Messerformen entworfen, mit unterschiedlich breiten Klingen und
Verstärkungsfaktoren. Die Längen der Messerhalter entsprechen dabei in etwa der halben
Wellenlände der Ultraschallschwingung in einem zylinderförmigen Stück aus demselben
Material. Durch Veränderungen der Geometrie konnten Verstärkungsfaktoren von ca. 1.7 – 5
erreicht werden. Geht man von einer maximalen Amplitude des Piezokristalls von ca. 10 �m
aus, ohne weiterer Verstärkung durch andere Teile außer dem Messerhalter, so entspricht das
einer maximal erreichbaren Amplitude an der Klinge von ca. 50 �m. Dies ergibt eine
theoretische maximale Schnittgeschwindigkeit, ab der permanenter Kontakt zwischen Klinge
und Material besteht, von v=6,28 m/s. Diese Geschwindigkeit ist größer als die technisch
relevanter Vorschubgeschwindigkeiten.
Seite 26

Die Halterung der kompletten Anordnung erfolgt an einem Schwingungsknoten des
Mittelstücks ("Mounting Device" in Abb. 2.4.1). Diese Halterung ist so aufgebaut, dass sie
das in Schwingung befindliche System möglichst wenig dämpft und gleichzeitig die
statischen Kräfte einleiten kann. Dieser Teil wurde dahingehend optimiert, dass das Teil
möglichst kompakt und steif gehalten werden kann, um unerwünschtes Verbiegen zu
unterdrücken. Die Schwingungsübertragung erfolgt dabei durch Kraftschluss vom
Ultraschallkonverter zum Werkzeughalter.
Seite 27

3 Arbeiten zur Projektphase II: Verfahrensentwicklung
und -optimierung der Holzbearbeitung mit
Ultraschallüberlagerung
In der zweiten Projektphase wurden die Eigenschaften der neu entwickelten Ultraschallanlage
beim Schneiden von Holz untersucht. Entsprechend den Leistungsvereinbarungen wurden die
in den nachfolgenden Kapiteln näher beschriebenen Arbeiten durchgeführt.
3.1 Bestimmung der Trennkräfte
Die Trennkräfte stellen einen wesentlichen Parameter bei der Bearbeitung von Holz dar. Die
auftretenden Kräfte haben direkten Einfluss auf die mechanische Beanspruchung der
Maschine (und damit auf die notwendige Dimensionierung derselben) und auch auf die
Endqualität des bearbeiteten Werkstückes.
Die Trennkräfte wurden mit einem Sensorensandwich (Abb. 3.1.1) bestehend aus zwei
Piezosensoren der Fa. PCB Piezotronics gemessen. Es handelt sich dabei um Sensoren vom
Typ 260A01 mit einem Messbereich von: 0–4500 N in vertikaler z-Richtung und 2200 N in
horizontaler x- und y-Richtung.
Sensor Sensor
Seite 28
“Sensorensandwich“
Abb. 3.1.1: Symbolbild Kraftmessung
Um Schnittkraft und Schnittnormalkraft unter definierten Bedingungen messen zu können,
wurden die Schnittkraftmessungen an einem Mikrotom durchgeführt. Das Mikrotom erlaubt
es, Späne mit einer genau definierten Dicke zu schneiden und die Kräfte in Abhängigkeit von
der Spandicke zu bestimmen.
Zwei fundamentale Experimentserien wurden gemacht. Zum einen wurde der Einfluss der
Ultraschallamplitude auf die Schnittkraft bestimmt und zum anderen die Kräfte als Funktion
der Spandicke ermittelt. Beim verwendeten Verfahren zur Kraftmessung handelt es sich um
quasistatische Messungen, da die hochfrequenten Anteile, verursacht durch die
Ultraschallbewegung, außerhalb des mit dieser Sensorenanordnung auflösbaren Bereichs
liegen. Die Ergebnisse wurden in Form eines Konferenzbeitrages [30] auf dem „16th

International Wood Seminar“ in Matsue, Japan einem Fachpublikum vorgestellt und ergänzt
um Messungen an Buche zur Veröffentlichung in einer Zeitschrift eingereicht [30].
Einfluss der Schwingungsamplitude
Die erzielten Ergebnisse zur Untersuchung des Einflusses der Ultraschallamplitude auf die
gemessenen Schnittkräfte bei konstanter Spandicke von 200 �m und Schnittgeschwindigkeit
von 170 mm/s zeigen eine deutliche Kraftreduktion mit zunehmender Schwingungsamplitude.
Dabei tritt die wesentliche Wirkung bereits bei kleinen Amplituden auf (bis 10 �m). Wird die
Schwingungsamplitude weiter erhöht, dann vermindert sich die Schnittkraft nicht mehr im
selben Maße (Abb. 3.1.2).
a) b)
Abb. 3.1.2: Normierte Schnittkraft als Funktion der Ultraschallamplitude für
a) Fichte und b) Buche
Die gemessene, auf die Spanbreite normierte Schnittkraft als Funktion der
Ultraschallamplitude fc(UC) lässt sich dabei ad hoc relativ gut mit Hilfe einer abfallenden
Exponentialfunktion beschreiben.
fC �UC��fC�CC��fvibr � 1 � exp � u
��
�� �� ��
�� �� u0 ��
��
�� ��
�� �� ��
��
�� ��
Formel 2: Schnittkraft als Funktion der Ultraschallamplitude fc(UC); fc(CC)
statische Schnittkraft; maximaler Gewinn an Schnittkraftreduktion durch
Ultraschallüberlagerung fvibr; u0 Ultraschallamplitude bei der die
Schnittkraftreduktion 63 % ihres Maximalwertes erreicht hat
Der maximale Gewinn an Schnittkraftreduktion unterscheidet sich dabei etwas bei beiden
untersuchten Holzarten und beträgt zwischen 70 % (Buche) und 80 % (Fichte) der
Seite 29

gemessenen Kräfte ohne Ultraschallüberlagerung. Die Schwingungsamplitude, bei der 63 %
des prinzipiell möglichen Ultraschalleffektes gefunden wird, liegt für beide Hölzer etwa bei
10 �m. Diese Schwingungsamplitude ist von großer Bedeutung, da mit steigender
Schwingungsamplitude die aufgenommene elektrische Leistung etwa quadratisch ansteigt.
Ein günstiges Verhältnis von möglichst geringer notwendiger Ultraschallleistung bei
gleichzeitig gutem Ultraschalleffekt ist diesen Messungen zufolge bereits bei (technisch
gesehen) relativ kleinen und einfach zu realisierenden Schwingungsamplituden vorhanden.
Einfluss der Spandicke
Die Experimente mit unterschiedlichen Spandicken wurden durchgeführt, um den
Mechanismus der Ultraschallüberlagerung auf die Schnittkräfte genauer zu untersuchen. Es
wurden Experimente an Fichte und Buche im trockenen und feuchten Zustand durchgeführt,
wobei die Schnittgeschwindigkeit bei 170 mm/s und die Ultraschallamplitude bei 8 �m
konstant gehalten wurden. In allen Fällen wurde sowohl eine absolute Reduktion der
normierten Schnittkraft festgestellt, als auch geringere Steigungen der Schnittkraft als
Funktion der Spandicke (Abb. 3.1.3).
Ein bekannter Effekt der Ultraschallüberlagerung auf die Kontaktkräfte zweier Körper ist die
Reduktion der dynamischen Reibung zwischen diesen [31, 5, 6]. Eine aus dieser
Reibungsreduktion resultierende Kraftreduktion beim Schneiden stellt einen möglichen
Erklärungsansatz für einen Teil der niedrigeren Schnittkräfte im Fall des
ultraschallüberlagerten Schneidens dar. Aufgrund der großen Schnittkraftreduktion bei hohen
Amplituden (Abb. 3.1.2) werden allerdings noch zusätzliche Effekte vermutet. Theoretische
Modelle zum reibungsfreien Schneiden [32] interpretieren den Achsabschnitt der
Ausgleichsgeraden als „reine Trennenergie“ und die Steigung als zusätzliche Energie, die in
die Spanverformung geht. Eine geringere Steigung im Falle der linearen Ausgleichgeraden
beim Ultraschallschneiden im Vergleich zum konventionellen Schneiden legt deshalb die
Annahme einer leichteren Spanverformung nahe. Diese Vermutung kann aber zum
gegenwärtigen Zeitpunkt weder bestätigt noch abgelehnt werden, da unter Einfluss der
Reibung theoretisch auch eine geänderte Steigung auftreten kann [33].
Seite 30

a) b)
c) d)
Abb. 3.1.3: Normierte Schnittkräfte als Funktion der Spandicke: a) trockene, b)
feuchte Fichte; c) trockene, d) feuchte Buche (offene Kreise mit
Ultraschallüberlagerung, geschlossene ohne Überlagerung).
Der Einfluss der Ultraschallüberlagerung auf die Normalkräfte besteht hingegen nur in einer
Parallelverschiebung, zu niedrigeren Werten im gemessenen Bereich, verglichen mit jenen
Werten, welche bei konventionellem Schneiden erhaltenen wurden. In diesem Fall kann
deshalb nicht von einer eigentlichen Reduktion gesprochen werden, sehr wohl reduziert sich
die Kraft welche die Messerunterseite auf die bearbeitete Oberfläche ausübt (siehe Abb. 3.1.4)
normierte Normalkräfte bei trockener Buche als Beispiel), d.h. der Span hebt die Probe mehr
an und die Kraft auf die Sensoren verringert sich. Hier sollte allerdings darauf hingewiesen
werden, dass für die notwendige Schneidenergie die Schnittkräfte und nicht die Normalkräfte
entscheidend sind.
Seite 31

Abb. 3.1.4: Normierte Normalkräfte als Funktion der Spandicke bei trockener Buche
(offene Kreise mit Ultraschallüberlagerung, geschlossene ohne solche).
Schlussfolgernd lässt sich feststellen, dass eine deutliche Schnittkraftreduktion durch
Ultraschallüberlagerung stattfindet und die statischen Schnittkräfte deutlich reduziert werden
können. Der Wert einer solchen Schnittkraftreduktion für den praktischen Einsatz liegt unter
anderem in der Möglichkeit einer materialsparenderen Maschinenbauweise und bei einem
handgeführten Gerät z.B. in einer geringeren Belastung des betroffenen Arbeiters. Zusätzlich
tragen geringere statische Kräfte bei gleicher Dimensionierung zu einer Stabilisierung des
Schnittprozesses bei.
Für den praktischen Einsatz ist allerdings noch einiges an Feineinstellung notwendig, da die
Eigenschaften des Beareitungssystems sehr stark von den jeweils geforderten
Prozessparametern abhängen. So ist es z.B. positiv, dass der Ultraschalleffekt bereits bei
kleinen Amplituden einen großen Effekt erzielt, da damit eine Materialschädigung der
mechanischen Teile durch Ermüdung verringert und die Wartungszeiten des Werkzeughalters
erhöht werden können. Andererseits erfordern höhere Schnittgeschwindigkeiten entsprechend
hohe Amplituden, um den positiven Effekt der Ultraschallüberlagerung nicht zu verlieren
[22].
Seite 32

Einfluss der Schnittgeschwindigkeit
Zum Studium des Einflusses der Schnittgeschwindigkeit auf die Schnittkraft wurden
Messungen an einer Drehbank mit MDF durchgeführt. Den dazugehörenden Versuchsaufbau
zeigt Abbildung 3.1.5. Zu sehen ist die beschichtete kreisrunde MDF- Platte in der Bildmitte,
links daneben sichtbar der Messerhalter, darüber die Halterung (dreieckiger Teil) und ganz
oben der Ultraschallkonverter mit dem Stromversorgungskabel.
Abb. 3.1.5: Versuchsaufbau zur Bestimmung des Geschwindigkeitseinflusses beim
ultraschallüberlagerten Schneiden.
Die Ergebnisse über den Einfluss der Schnittgeschwindigkeit bei verschiedenen
Ultraschallamplituden zeigt Abb. 3.1.6. Prinzipiell ist die Verminderung der Schnittkraft
durch die Ultraschallüberlagerung umso größer, je kleiner die Schnittgeschwindigkeit vC und
je größer die Ultraschallamplitude a. Zudem ist als Vergleich die Schnittkraft in Abhängigkeit
von der Schnittgeschwindigkeit ohne Ultraschallüberlagerung (a=0) gezeigt.
Seite 33

Abb. 3.1.6: Einfluss der Schnittgeschwindigkeit vC auf die statische Schnittkraft bei
unterschiedlich hoher Ultraschallamplitude a.
Aus Abb. 3.1.6 ist ersichtlich, dass eine Verringerung der Ultraschallwirkung mit
zunehmender Geschwindigkeit zu beobachten ist. Bei einer Schwingungsamplitude von ca.
8,5 �m ist ein Ultraschalleffekt noch bei Schnittgeschwindigkeiten um 1 m/s sichtbar,
während für eine Ultraschallamplitude von ca. 4 �m bereits bei Schnittgeschwindigkeiten um
0,3 m/s der positive Effekt verschwindet.
Verstanden werden kann dieser Einfluss durch die Verhältnisse von Schnittgeschwindigkeit
(vc) und Geschwindigkeitsamplitude der Ultraschallschwingung (=Schwingungsamplitude a
mal Kreisfrequenz �). Sobald die Geschwindigkeitsamplitude a� gleich der
Schnittgeschwindigkeit vc ist, ist die Klinge in permanentem Kontakt mit dem zu
bearbeitenden Material. Modellüberlegungen zur Größe der statischen Kräfte unter Einfluss
vom Ultraschallaufschlägen von Astashev und Babitsky [22] für ein ideal elastisch plastisches
Material sagen eine Grenzfrequenz für die Wirksamkeit von vc=a� voraus. Außerdem sagt
Seite 34

das Modell einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der mit der kritischen
Geschwindigkeit normierten Geschwindigkeit und der mit der Kraft bei konventioneller
Bearbeitung normierten statischen Kraft, voraus. Dieser Zusammenhang ist für die
Bearbeitung mit MDF in Abb. 3.1.7 ersichtlich.
Abb. 3.1.7: Einfluss der normierten Schnittgeschwindigkeit auf die statische
Schnittkraft bei unterschiedlich hoher Ultraschallamplitude.
Die Abbildung 3.1.7 ist in 3 Sektoren gegliedert. Sektor I zeigt den Bereich in welchem ein
eindeutiger Effekt des Ultraschalls auf die Schnittkräfte festgestellt wurde. Sektor II umfasst
den Bereich konventioneller Bearbeitung, bzw. zu geringer Ultraschallamplituden, um zu
einer Reduktion der Schnittkraft zu führen. Sektor III ist (nahezu) leer. In erster Näherung ist
der Ultraschalleffekt umso größer, je kleiner der Faktor vc/a�� Allerdings ist bei niedrigen
Amplituden (4 �m) ein kleinerer Faktor vc/a� für eine bestimmte Reduktion der Schnittkraft
notwendig als bei höheren Amplituden (8,5 �m). Der Effekt ist also nicht linear.
Seite 35

Für eine erste Abschätzung für die notwendigen Ultraschallamplituden in Abhängigkeit von
der Schnittgeschwindigkeit können die Versuche mit Schwingungsamplitude 8,5 �m
herangezogen werden. Wenn der Faktor vc/a� etwa im Bereich 0,3 liegt, dann wird die
Schnittkraft bei der Bearbeitung von MDF etwa auf 50 % reduziert. Wird die
Schnittgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde angegeben und die Ultraschallamplitude in
Mikrometer, dann sollte die Ultraschallamplitude etwa 25 mal so groß wie die
Schnittgeschwindigkeit sein, damit ein deutlicher Ultraschalleffekt (die Halbierung der
Kräfte) eintritt. Bei Schnittgeschwindigkeiten um 2 m/s sollte daher die Ultraschallamplitude
um etwa 50 �m liegen. Diese Ultraschallamplituden sind prinzipiell machbar (und wurden
beispielsweise bei den Messungen im Mikrotom auch verwendet).
Einfluss der Schnittrichtung
Der Schnittrichtungseinfluss wurde anhand von Buche in zwei Hauptschnittrichtungen [20]
längs und tangential untersucht. Bei den Versuchen wurde die Ultraschallamplitude konstant
bei 8 �m festgehalten und eine Schnittdickenvariation durchgeführt. Wie zu erwarten war
verhalten sich die beiden Schnittrichtungen, was den Absolutbetrag der gemessenen Kräfte
anbelangt, unterschiedlich. In beiden Fällen tritt eine Reduktion der Schnittkräfte durch die
Überlagerung von Ultraschall ein (Abb. 3.1.8). Durch die relativ kurzen, zerfallenden Späne
im Fall des Tangentialschnitts liegen die Kurven für die Schnittkräfte jedoch nur parallel und
haben nicht, wie im Falle des Längsschnitt auch eine unterschiedliche Steigung.
a) b)
Abb. 3.1.8: Schnittkraft für Buche als Funktion der Spandicke für a) Längs- und
b) Tangentialschnitte.
Die Bildung eines zerbröselnden Spans im Vergleich zur Bildung eines kontinuierlichen
Spans hat auch Auswirkungen auf die gemessenen Normalkräfte. Im Fall des
Tangentialschnittes ist nahezu kein Spandickeneinfluss auf die gemessene Kraft zu finden und
Seite 36

die Reduktion der Normalkraft durch den Ultraschalleinfluss ist nur ca. halb so groß wie im
Falle der Längsschnitte (Abb. 3.1.9). Ausgewählte Teile der Ergebnisse zur
Schnittkraftmessung in Längsrichtung wurden in [30, 34] veröffentlicht.
a) b)
Abb. 3.1.9: Normalkraft für Buche als Funktion der Spandicke für a) Längs- und
b) Tangentialschnitte.
3.2 Charakterisierung des Bruchbildes der Holztrennflächen und
Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit
Die Schnittflächen der Holztrennflächen unterscheiden sich unter optimalen Bedingungen
kaum von jenen durch konventionelles Schneiden erzielten (siehe auch [35]). Hier gilt aber,
dass eine generelle Aussage schwierig ist. Die mit Ultraschall erzeugten Oberflächen von
Fichte hinterlassen den subjektiven Eindruck, dass sie generell etwas gleichmäßiger sind als
konventionell bearbeitete Oberflächen [30]. Eine Quantifizierung dieses Eindrucks mittels
ausgewählter Rauheitsparameter konnte allerdings keinen solchen Beweis erbringen. In der
Literatur werden jedoch immer wieder Verbesserungen betreffend Gleichmäßigkeit [23] und
verringerter Schädigung [36] der mit Ultraschall bearbeiteten Oberflächen, von verschiedenen
im allgemeinen spröden oder schwer zu bearbeitenden Materialien berichtet. Aufgrund der
großen Effekte bei der Reduktion der Schnittkräfte war ein solcher Effekt auch bei Holz zu
erwarten, konnte aber nicht verifiziert werden.
Seite 37

Abb. 3.2.1: Messerschläge auf der Oberfläche von Fichte (Schnittrichtung von links
nach rechts)
An manchen Stellen unterscheiden sich die mittels Ultraschallüberlagerung erzielten
Oberflächen sehr wohl von jenen durch konventionelles Schneiden erzielten. Auf den
Oberflächen von Fichte und Buche wurden mancherorts in regelmäßigem Abstand Impacts
oder Messerschläge gefunden Abb. 3.2.1.
Abb. 3.2.2: Theoretische Bahnbewegung der Messerspitze auf der Probe für eine
Ultraschallamplitude von 8 �m und 170 mm/s Vorschubgeschwindigkeit.
Der Abstand dieser mikrokopisch kleinen Schnitte passt sehr genau mit dem vorhergesagten
Muster eines sich harmonisch bewegenden Messers zusammen (Abb. 3.2.2) und kann nur
auftreten, da die Schwingungsamplitude beim untersuchten System gegenüber der
Schnittrichtung um einen bestimmten Winkel geneigt ist.
Seite 38

Eine weitere Besonderheit welche nur auf Ultraschall bearbeiteten Oberflächen auftrat war die
Beobachtung von Mikro-Röllchen. Diese Mikro-Röllchen entstehen wahrscheinlich durch den
endlichen Klingenradius, welcher an manchen Stellen Material mitführt und einrollt
(Abb. 3.2.3) [35].
Abb. 3.2.3: Mikroröllchen auf mit Ultraschall bearbeiteter Fichtenoberfläche.
Schnittrichtung von links nach rechts.
Ausgewählte Oberflächen wurden mit der 3d-Rekonstruktionssoftware, MEX ausgewertet.
Diese Software wurde speziell für die Auswertung von Höheninformationen im
Rasterelektronenmikroskop entwickelt und erlaubt es unter anderem einen plastischen
Eindruck von Mikroskopiebildern zu gewinnen. In Abb. 3.2.4 sind zwei Anaglyphbilder zu
sehen, die unter Verwendung von rot-blau- Gläsern als dreidimensionale Gebilde sichtbar
werden.
Seite 39

100 �m 20 �m
Abb. 3.2.4: Anaglyphbilder von Mikro-Röllchen auf Fichte in unterschiedlicher
Vergrößerung.
Auf eine systematische Auswertung der Anaglyphbilder in Bezug auf Rauhigkeitsparameter
wurde verzichtet, da die makroskopischen Rauhigkeiten keinerlei Unterschied zeigten und die
Mikroskopieaufnahmen nur einen vorher selektierten Ausschnitt darstellen können. Hinzu
kommt, dass es sich auf Mikroebene nicht mehr um ein Standardverfahren handelt und damit
die Cut-off Länge des Filters wesentlich die Messergebnisse beeinflusst. Ein Versuch einer
solchen Auswertung an Buchenoberflächen mit einer Cut-off Wellenlänge von 20 �m ergab
jedoch keine Unterschiede in den Rauheitskennwerten Ra, Rz, Rq und RSM zwischen
konventionell und Ultraschall unterstützt bearbeiteten Oberflächen. Die Grenzwellenlänge lag
dabei mit 20 �m ca. doppelt so hoch wie die durch die Messerbewegung induzierte
harmonische Oberflächenbeschaffenheit. Letztere wurde damit zu den kurzwelligeren
Anteilen des Rauhigkeitsprofils geschlagen.
Eine systematische Untersuchung der Oberflächenrauhigkeit mit dem Tastschnittverfahren
und einer Cut-off Wellenlänge von 2,5 mm anhand von vier Rauheitsparametern Ra, Rz, Rq
und RSM ergab keinerlei Unterschiede in den Mittelwerten von konventionell und Ultraschall
unterstützt bearbeiteten Oberflächen von Fichte, Buche und MDF. Sehr wohl wurden jedoch
Unterschiede beim Vergleich korrespondierender Varianzen festgestellt, allerdings
Seite 40

uneinheitlich [35]. Bei Fichte wurde die Streubreite erhöht, während sie bei Buche verringert
wurde und keinen Unterschied beim Vergleich von MDF zeigte.
Auch hier ist offensichtlich, dass die Prozessparameter sehr großen Einfluss auf die zu
messenden Rauheitsparameter ausüben. Im betrachteten Fall wurde für alle Versuche ein
scharfes Messer verwendet und relativ kleine Amplituden, als auch Neigungswinkel der
Ultraschallschwingung gegenüber der Holzoberfläche verwendet. Eine Vergrößerung des
Anstellwinkels hätte z.B. direkten Einfluss auf die zu erwartende Welligkeit.
3.3 Bestimmung der Oberflächenenergie
Die Oberflächenenergie stellt ein Maß für die Reaktivität von Oberflächen dar. Hohe Werte
für die Oberflächenenergie bedeuten im Allgemeinen gute Benetzbarkeit, während niedrigere
Werte z.B. Tropfenbildung der Benetzungsflüssigkeit (z.B. Wasser) auf der Oberfläche
bedeuten können. Je nach Anwendung wird dementsprechend eine hohe Oberflächenenergie
(gute Lackierbarkeit) oder eine niedrigere (Flüssigkeit soll abperlen) gefordert.
a) b)
Abb. 3.3.1: Änderung des Kontaktwinkels als Funktion der Zeit: a) konventionelle
Bearbeitung und b) Ultraschall überlagerte Bearbeitung
Um die Reaktivität von mit Ultraschall bearbeiteten Oberflächen mit jenen von konventionell
bearbeiteten Oberflächen zu vergleichen wurden sowohl Benetzungsversuche mit Wasser
durchgeführt, als auch die Oberflächenenergie nach der Säure-Base Theorie an Buche
ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ultraschallbearbeitung die Benetzbarkeit mit
Wasser nicht verändert, wobei in beiden Fällen relativ große Streuungen gemessen wurden
(Abb. 3.3.1).
Seite 41

Die Vergleichsmessungen zur Oberflächenenergie zeigen, dass die gesamte
Oberflächenenergie �, die dispersen � LW als auch die polaren Anteile � P unbeeinflusst von der
Bearbeitungsmethode sind. Die Base Anteile � - hingegen sind im Fall der
Ultraschallbearbeitung gegenüber dem Konventionellen Schneiden signifikant um ca. 1/3
reduziert (Abb. 3.3.2) [35].
Abb. 3.3.2: Oberflächenenergie von konventionell (graue Balken) und mit
Ultraschallüberlagerung bearbeitete Oberfläche (weiße Balken)
Eine Interpretation dieses Resultats könnte in einer durch die Ultraschallschwingung
induzierten, beschleunigten Alterung liegen. Der Effekt der Alterung von Holzoberflächen
beinhaltet unter anderem die Reorientierung von Molekülen an der Oberfläche hin zu einer
energetisch günstigeren Lage, die Migration von Extraktstoffen an die Oberfläche, Oxidation
der Oberfläche und Anlagerung von Molekülen aus der Umgebungsluft. Bei all diesen
Phänomenen handelt es sich um thermisch aktivierte Prozesse. Messungen an gealterten
mikrotomierten Buchenoberflächen zeigen eine Verringerung der Base-Anteile der
Oberflächenenergie [37] und passen gut mit der Annahme zusammen, dass die beim
Ultraschallschneiden zusätzlich durch die Schwingung eingebrachte Energie die Alterung
beschleunigt hat.
Seite 42

3.4 Optimierung der Versuchsparameter
Die Optimierung der Versuchsparameter ist ein kontinuierlicher Prozess. Im Verlaufe des
Projektes wurden verschiedenste Optimierungen an Aufbau, Materialauswahl und
Prozessparametern sowie in der elektronischen Steuerung, im Leistungsteil und in der
Leistungsanpassung vorgenommen. So wurden Messerhalter entwickelt, welche
Schwingungsamplituden von nur 10 �m erlauben und solche, mit denen 50 �m erreichbar
sind (mit deren jeweiligen Vor- und Nachteilen). Je nach Versuch wurden Stahlmesser oder
Hartmetall-Wendeplatten verwendet, wobei ein geeigneter Stahl für die Messerhalter ein
festes Auflöten erlaubt. Basierend auf dem Prinzip eines Schaltverstärkers dienten
verschiedene Verbesserungen zur stabilen Aufrechterhaltung der Schwingung, zur
Verminderung der Störwirkung und zur Verminderung der Verlustleistung. Es wurden -
basierend auf den Prinzip einer dämpfungsfreien Halterung in Schwingungsknoten -
unterschiedliche Aufbauten realisiert und letztendlich eine einfache und vielfach einsetzbare
Halterung entwickelt. Erste Versuche wurden an einer Materialprüfmaschine durchgeführt,
welche allerdings mangels Steifigkeit einige Messergebnisse verfälschte. In weiterer Folge
wurden deshalb wesentlich stabilere Aufbauten in einem Mikrotom und an einer Drehbank
verwendet. Die Regelung der Resonanz wurde mehrfach verbessert, sodass nun ein (nahezu)
automatischer Betrieb möglich ist. Die Optimierungen im Versuchsaufbau und in der
Versuchsdurchführung war daher ein kontinuierlicher, das Projekt begleitender Prozess.
3.5 Bemühungen zur Einbindung von Industriepartnern in das Projekt
„Holzbearbeitung mit einer Ultraschall-Wechselbeanspruchung“
Um die Überleitung des Grundlagenprojektes in die praktische Anwendung vorzubereiten,
wurden die Ergebnisse in öffentlichen und Fachvorträgen vorgestellt, sowie durch
verschiedene Tätigkeiten Kontakt mit Industrievertretern gesucht. Diese Aktivitäten sind
detailliert im beiliegenden Tätigkeitsbericht zusammengefasst. Weiters wurden 2
Publikationen vorbereitet, die - das Einverständnis des BMVIT und ein positiver Review-
Prozess vorausgesetzt - in Fachjournalen publiziert werden.
Seite 43

4 Aspekte der Nachhaltigkeit
Das System wurde im Rahmen des „Fabrik der Zukunft Projektes“ in Hinblick auf die
Leitprinzipien der Nachhaltigkeit entworfen, auf die im weitern kurz eingegangen werden
soll.
�� Prinzip der Dienstleistungs-, Service- und Nutzenorientierung: Bei dem
entwickelten Prototyp handelt es sich um ein handliches und transportables System,
das für verschiedene Prozesse adaptiert werden kann. Die reinen Materialkosten sind
gering, während der Gehalt an Know-How groß ist. Der Betrieb ist energieeffizient
über lange Zeit möglich. Der bearbeitete Werkstoff Holz ist in Österreich verfügbar.
�� Prinzip der Nutzung erneuerbarer Ressourcen: Das Projekt beschäftigt sich mit
einer verbesserten Methode zur Holzbearbeitung, einem natürlichen Werkstoff. Die
Anlage erweitert die Möglichkeiten der Holzbearbeitung und verbessert dadurch die
Stellung von Holz in Konkurrenz zu anderen Werkstoffen.
�� Effizienzprinzip: Die Ausnützung des Resonanzprinzips als Kernstück der
Ultraschallschneideanlage spiegelt die konsequente Nutzung von Energie wieder. Es
wird mit möglichst geringer Leistung ein Maximum an Wirkung erreicht. Die
Ansteuerung erfolgt durch ein robustes elektrisches System mit hohem Wirkungsgrad.
Die elektrischen und der Großteil der mechanischen Bauteile sind keiner wesentlichen
Abnutzung unterworfen. Als Verbrauchsmaterialien (Schneiden) werden bereits
technisch verwendete Teile verwendet.
�� Prinzip der Rezyklierungsfähigkeit: Die für die mechanischen Teile der Anlage
verwendeten Werkstoffe sind recyclingfähige Metalle. Die elektrischen Teile sind
robust, sodass ein langer Betrieb möglich ist.
�� Prinzip der Einpassung, Flexibilität, Adaptionsfähigkeit und Lernfähigkeit: Das
System wurde bewusst flexibel gestaltet und kann an verschiedene Anforderungen
angepasst werden. Es ist transportabel und relativ leicht. Eine Ankopplung an bereits
bestehende Anlagen zur Holzbearbeitung ist über geeignete mechanische Teile
möglich. Es ist auch denkbar, die Anlage für andere Anwendungen im Bereich des
Leistungs-Ultraschall zu verwenden.
Seite 44

�� Prinzip der Fehlertoleranz und Risikovorsorge: Das System und die mit dem
System bearbeiteten Werkstoffe (Holz und Holzwerkstoffe) sind risikoarm. Es sind
keine schnell drehenden Teile (wie bei Fräsern) oder Maschinenteile vorhanden. Die
elektrischen Spannungen sind i.a. kleiner als die Netzspannung. Durch die lineare
Spanbildung wird die Bildung von kleinen Partikeln und damit schädlichem Holzstaub
weitestgehend unterbunden und so ein Beitrag zur Gesundheitsvorsorge geleistet. Die
Technologie stellt damit keine wesentliche Gefahr für die Umwelt dar und ist
risikoärmer als bereits bestehende Systeme.
�� Prinzip der Sicherung von Arbeit, Einkommen und Lebensqualität: Verbesserte
Bearbeitungsmethoden erhöhen die Wertschöpfung und verbessern die
Konkurrenzfähigkeit. Als neue Technologie kann die Ultraschallbearbeitung der
heimischen Holzindustrie einen Innovationsvorteil verschaffen, um auf einem
globalen Markt besser bestehen zu können.
Seite 45

5 Ausblick / Empfehlungen
Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass die Überlagerung von Ultraschallschwingungen auf
Werkzeuge eine viel versprechende neue und technisch machbare Methode zur
Holzbearbeitung ist. Das Verfahren ist energieeffizient und betriebssicher, und eine
technische Anwendung ist aufgrund der dargestellten Vorteile wünschenswert. Für die
praktische Anwendung und eine eventuelle Weiterentwicklung muss unterschieden werden,
ob das Werkzeug wie in den vorliegenden Untersuchungen mit nur einem
Ultraschallkonverter zum Schwingen angeregt werden kann oder ob dazu mehrere
Ultraschallkonverter notwendig sind.
Ist die Anregung mit nur einem Konverter möglich (z.B. wenn Messer mit einer
Schneidenbreite bis ca. 150 mm verwendet werden), dann kann dazu ein Aufbau ähnlich dem
vorgestellten dienen. Gegebenenfalls müssen die elektrischen und elektronischen
Komponenten bei handgeführten Maschinen miniaturisiert werden.
Sind dagegen massive Bearbeitungswerkzeuge (z.B. Furniermesser) anzuregen, dann sind
dafür mehrere parallel arbeitende Ultraschallkonverter notwendig, da die Dauerleistung der
einzelnen kommerziell erhältlichen Konverter etwa mit 2 - 4 kW begrenzt ist. In diesem Fall
muss weiterführend das Problem der elektrischen Ansteuerung von mehreren Konvertern in
gleicher Phasenlage in Resonanz gelöst werden. Die geeignete Ankopplung und Fixierung
muss garantieren, dass alle Konverter unabhängig von der Belastung dieselbe mechanische
Resonanz haben, sodass eine Leistungsabgabe von allen in gleichem Maße gegeben ist. Die
im Projekt dargestellten Vorteile der Ultraschallüberlagerung sind sowohl bei Ein- als auch
Mehrkonvertersystemen vorhanden.
Seite 46

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Seite 50

7 Abbildungsverzeichnis
Abb. 1.1.1: Bewegung der Werkzeugspitze mit und ohne Ultraschallüberlagerung
Abb. 1.1.2: Zwei grundlegende Ultraschall-Trennverfahren: a) mit und b) ohne
Schleifsuspension
Abb. 2.1.1: Prinzip von Spannung und Strom bei einem Sinusverstärker: Die im Verstärker
abfallende Spannung ist gleich der Ausgangsspannung minus der
Betriebsspannung. Die im Verstärker in Wärme umgewandelte elektrische
Leistung ergibt sich aus der abfallenden Spannung und dem fließenden Strom.
Abb. 2.1.2: Prinzip von Spannung und Strom bei einer getakteten Schaltendstufe: Die
ausgegebene Spannung ist gleich der Betriebsspannung, sodass im Verstärker
(fast) keine Spannung abfällt und dementsprechend (fast) keine Wärme anfällt.
Die Leistungssteuerung erfolgt über die Pulsbreite. Zwischen den Pulsen ist der
Verstärker offen, sodass im Verstärker kein Strom fließen kann.
Abb. 2.2.1: a) Fotografie des zylindrischen Messerhalters mit Verminderung des
Querschnittes entlang der Länge, b) Dehnungsverlauf, c) Amplitudenverlauf
Abb. 2.3.1: Elektrischer Aufbau (von unten) - Schaltverstärker mit wählbarem
Leistungsbereich, Anpassungs-Induktivität, Messeinheit für Strom- und
Spannung und Überlastschutz, Regel- und Anzeigeeinheit, Messverstärker für
Kraftsensoren, Oszilloskop 1 zur Anzeige von Strom und Spannung, Oszilloskop
2 zur Anzeige der Schwingungsamplitude
Abb. 2.4.1: Mechanischer Aufbau - Ultraschallkonverter (Transducer), Halterung für die
Einleitung der statischen Schnittkräfte (Mounting Device), Werkzeughalter
(Tool Holder) und angelötete Klinge (Knife). Die Bewegungsamplitude entlang
der Länge ist gezeigt.
Abb. 3.1.1: Symbolbild Kraftmessung
Abb. 3.1.2: Normierte Schnittkraft als Funktion der Ultraschallamplitude für a) Fichte und b)
Buche
Abb. 3.1.3: Normierte Schnittkräfte als Funktion der Spandicke: a) trockene, b) feuchte
Fichte; c) trockene, d) feuchte Buche (offene Kreise mit
Ultraschallüberlagerung, geschlossene ohne Überlagerung).
Seite 51

Abb. 3.1.4: Normierte Normalkräfte als Funktion der Spandicke bei trockener Buche (offene
Kreise mit Ultraschallüberlagerung, geschlossene ohne solche).
Abb. 3.1.5: Versuchsaufbau zur Bestimmung des Geschwindigkeitseinflusses beim
ultraschallüberlagerten Schneiden.
Abb. 3.1.6: Einfluss der Schnittgeschwindigkeit vC auf die statische Schnittkraft bei
unterschiedlich hoher Ultraschallamplitude a.
Abb. 3.1.7: Einfluss der normierten Schnittgeschwindigkeit auf die statische Schnittkraft bei
unterschiedlich hoher Ultraschallamplitude.
Abb. 3.1.8: Schnittkraft für Buche als Funktion der Spandicke für a) Längs- und
b) Tangentialschnitte.
Abb. 3.1.9: Normalkraft für Buche als Funktion der Spandicke für a) Längs- und
b) Tangentialschnitte.
Abb. 3.2.1: Messerschläge auf der Oberfläche von Fichte (Schnittrichtung von links nach
rechts)
Abb. 3.2.2: Theoretische Bahnbewegung der Messerspitze auf der Probe für eine
Ultraschallamplitude von 8 �m und 170 mm/s Vorschubgeschwindigkeit.
Abb. 3.2.3: Mikroröllchen auf mit Ultraschall bearbeiteter Fichtenoberfläche.
Schnittrichtung von links nach rechts.
Abb. 3.2.4: Anaglyphbilder
Vergrößerung.
von Mikro-Röllchen auf Fichte in unterschiedlicher
Abb. 3.3.1: Änderung des Kontaktwinkels als Funktion der Zeit: a) konventionelle
Bearbeitung und b) Ultraschall überlagerte Bearbeitung
Abb. 3.3.2: Oberflächenenergie von konventionell (graue Balken) und mit
Ultraschallüberlagerung bearbeitete Oberfläche (weiße Balken)
Seite 52

8 Beilage 1: Ultrasonic-Assisted Cutting of Wood
submitted to Journal of Materials Processing Technology
G. Sinn 1 , B. Zettl 1 , H. Mayer 1 *, P. Beer 2 , S. Stanzl-Tschegg 2
1 Institute of Meteorology and Physics, BOKU, Tuerkenschanzstr. 18, A-1180 Vienna,
Austria
2 Christian-Doppler-Laboratory for Fundamentals of Wood Machining, BOKU,
Tuerkenschanzstr. 18, A-1180 Vienna, Austria
* Corresponding author: e-mail address: herwig.mayer@boku.ac.at,
Tel.: +43 1 470 58 20 10, Fax.: +43 1 470 58 20 10
Abstract
Ultrasonic-assisted cutting experiments have been performed on two wood species, spruce
and beech in dry and wet state. Cutting forces and normal forces are measured and analysed
with respect to uncut chip thickness, and linear correlation is found. Compared to
conventional cutting reduction of cutting forces in the order of 50 % are achieved at relatively
small vibration amplitudes of 8 m. The results are interpreted in terms of reduced friction
forces caused by ultrasonic vibration of the cutting knife.
Keywords
Wood, spruce, beech, ultrasonic cutting, ultrasonic processing, cutting force
Introduction
Cutting is the most important process in machining wood and wood composites. Many
machining processes, like sawing, planing or milling, are based on cutting processes. The
surface quality obtained, the quantity of waste, the service life of the used tools or the energy
consumption for the separation process are measures for the applicability and efficiency of
certain cutting processes. Due to the importance of cutting for wood machining,
improvements are of great technical as well as economical interest.
Seite 53

A promising technology to enhance cutting processes is ultrasonic-assisted cutting (UC). With
this technique, the cutting tool is stimulated to vibrations at frequencies of typically 20 kHz.
The cutting knife, which machines the material, performs periodic oscillations at amplitudes
in the order of several micrometers, with beneficial influences on the cutting process. One
effect of UC is to reduce cutting forces compared to conventional cutting (CC). This could be
demonstrated turning different materials including aluminium, bronze copper, carbon and
stainless steel [1] as well as metal matrix composite (SiC particle reinforced aluminium) [2].
New processes are possible using UC, like the turning of ultra thin wall cylinders [3], were
the surface quality could be improved and the surface roughness reduced. In machining of
optical plastics to mirror-surface, which is a multi-step process of grinding and polishing, UC
could be used as substitute for both processes [4]. The roundness of the working piece turning
hardened steel could be significantly improved by UC [5]. Improved surface finish by UC is
also described for ultra-precision machining of glasses [6].
Reduction of cutting forces and improved surface quality are important goals for wood cutting
processes, however, few studies exist on this subject. Kato [7] studied the application of
ultrasonic vibrations on cutting tools in two basic cases: longitudinal vibration (i.e. vibration
in cutting direction) and lateral vibration (i.e. vibration normal to the cutting direction). UC
led to lower cutting forces and improved quality of the machined surfaces compared to CC.
Chips formed during cutting were affected by ultrasonic vibrations, i.e. break type chips
dominate in CC whereas flow type chips prevail in UC.
The present study serves to investigate ultrasonic-assisted cutting for machining of spruce
(Picea abies L.) and beech (Fagus sylvatica L.), which are two of the most important
commercial wood species in Europe. Knife setting parameters are chosen similarly to
conventional cutting, and commercially available cutting blades are used. This allows direct
comparison of UC and CC for commonly used geometries. Cutting forces were measured
with respect to uncut chip thickness and amplitude of the ultrasonic vibration. To include
variations of mechanical properties with moisture content, both wood species have been
investigated in dry and wet condition.
Materials and Methods
Wood species
Two different wood species were used in this study: spruce (Picea abies L.) as representative
for European softwood and beech (Fagus sylvatica L.) as representative of European
Seite 54

hardwood. Blocks of wet and dry wood were prepared. The sample size was: length 100 mm,
width 10 mm and height 25 mm. Moisture content of wet wood was above fibre saturation
point. The dry wood samples were stored in a climate chamber of 65% relative humidity (RH)
and 20°C until equilibrium moisture content was reached. Mean raw density determined for
dry spruce was 415 ± 23 kg/m 3 and the raw density of dry beech was 723 ± 39 kg/m 3 .
Ultrasonic cutting device
The mechanical components of the ultrasonic cutting system, which is used in the present
investigation, are shown in Fig. 1. Ultrasonic longitudinal vibrations of approximately 20 kHz
are generated with a piezoelectric transducer. In order to achieve maximum vibration
amplitudes at minimum power consumption the system vibrates in resonance. Vibration nodes
form approximately in the centre of each mechanical part, and the node in the mounting part
serves to clamp the system. This allows superimposing static cutting forces to the ultrasonic
systems without damping the vibrations. Cross section area of the ultrasonic tool holder
decreases along its length, which serves to magnify the vibration amplitude at the free end,
where the cutting knife is mounted by soldering. A commercially available steel knife is used
in the experiments. Conventional cutting experiments are performed using the same
equipment and turning off the ultrasonic vibration.
The cutting geometry was as follows: The whole mechanical equipment was mounted in an
angle of 40° with respect to the surface of the wood blocks. Due to the decreasing diameter of
the ultrasonic tool holder, clearance angle of 20° of the knife resulted. The wedge angle of the
steel blade was 45°. The ultrasonic cutting device was mounted on an instrumented
microtome in order to cut slices with well-defined chip thickness.
The amplitude of the cutting knife was measured in two ways: Ultrasonic vibration gauges
(induction coils used in ultrasonic material testing equipment [8]) served to determine the
vibration amplitudes along the length of the tool holder and of the cutting knife. However,
these vibration gauges are unhandy and may be damaged during cutting. Strain gauges
mounted on the tool holder serve to additionally determine the vibration amplitudes in an
indirect way. Strain amplitude at the place of the node and vibration amplitude of the knife are
linearly dependent. Thus, the strain gauge signal served to keep the vibration amplitude
constant at a pre-selected value (accuracy approximately ±5%). Numerical modelling of
resonance vibration of the tool holder (based on the equilibrium of an infinitesimal element
under elastic stresses [9]) served to optimise the design and to calculate strain amplitudes and
vibration amplitudes along the length of the tool holder.
Seite 55

To study ultrasonic-assisted cutting, prototype equipment with 1000 W electric power has
been developed. This system is in principal similar to commercially available equipment,
which is used for ultrasonic welding, for example and is based on the principle of autoresonant
systems [10, 11]. However, for the purpose of wood processing it was adapted to
obtain good energy efficiency. Controls of resonance frequency and vibration amplitudes are
performed in closed loop circuits.
Cutting experiments
Orthogonal cutting tests (�=0°) in longitudinal direction [12] with a sharp tool were
performed. Cutting speed, vC was held constant at vC=170 mm/s in all experiments.
Conventional cutting (CC) and ultrasonic-assisted cutting (UC) experiments were
accomplished.
Forces were measured by means of two three-dimensional piezoelectric force sensors fixed
below the specimens. Two forces were evaluated: cutting force and normal force. Positive
normal forces indicate compression forces on specimen fixture whereas negative normal
forces correlate to tension forces. Cutting force and normal force have been sampled with a
frequency of 28 kHz and filtered with 6 th order Butterworth low-pass filter (cut-off frequency
10 kHz). Measurements were recorded by computer and mean forces have been calculated
numerically.
Two series of experiments were carried out:
To investigate the influence of chip thickness on UC, the vibration amplitude was kept
constant at 8 �m and forces were measured as a function of uncut chip thickness. Uncut chip
thickness is the thickness of the removed material before cutting, i.e. the infeed of material.
CC experiments served for comparison. All experiments have been repeated 5 times to
include statistical scatter in the evaluations.
To investigate the influence of ultrasonic vibrations on cutting forces, experiments at different
vibration amplitudes of the cutting knife have been performed. In these experiments, the uncut
chip thickness was kept constant at 200 �m.
Results
In CC as well as UC experiments, continuous chips were formed. No fracture of chips within
the measurement length of 100 mm was observed and chip deformation appeared similarly in
Seite 56

CC and UC tests. Cutting forces (forces acting in cutting direction) and normal forces (normal
to cutting direction) are measured. Both forces are normalized with the specimen thickness of
10 mm (cutting width) in the following, and will be presented in unit of N/mm.
Influence of Chip Thickness on Normalized Forces in CC and UC
In Fig. 2, the measured cutting forces in CC and UC experiments are shown for dry spruce
(a), wet spruce (b), dry beech (c) and wet beech (d). Error bars indicate standard deviation of
normalized forces measured in 5 consecutive experiments using the same experimental
parameters.
The normalized cutting force, fC increases with increasing uncut chip thickness, h for both
materials in dry and wet condition. Data may be reasonably well approximated by linear
regression using
f C � f C0 � h � k C
where fC0 is the hypothetical normalized cutting force for zero chip thickness, and kC is the
increase of normalized cutting force with increasing chip thickness. The minimum correlation
coefficient, r was 0.80 in UC tests of dry beech (Table 1). Cutting forces for zero chip
thickness and the slope of the linear regression function are smaller in UC than in CC
experiments with the same material (Fig. 2). UC and CC tests of wet spruce and beech deliver
generally lower cutting forces than the respective tests in dry wood.
In Fig. 3, the normalized normal forces, fN are shown for both species and both moisture
contents with respect to uncut chip thickness, h. Similar to above, linear correlation may be
used to approximate data.
f N � f N0 � h � k N
fN0 is the hypothetical normalized normal force for zero chip thickness, and kN considers the
variation of normal force with cutting thickness. In Table 2, the parameters as well as the
correlation coefficients are shown. Scatter of normal forces is larger than scatter of cutting
forces, and the absolute values of the correlation coefficients are smaller. Minimum
correlation coefficient was -0.71 for UC of wet spruce. Parameters kN and correlation
coefficients are negative which means that normal forces decrease with increasing chip
thickness. These forces even may become negative for large chip thickness, as observed in
wet beech (Fig. 3 (d)). Additionally, the parameter kN is similar whether the materials were
cut in CC or UC experiments. Normal forces in UC are smaller than in CC tests of spruce and
Seite 57
(1)
(2)

dry beech, whereas approximately similar values were found in wet beech. Water content of
wood samples has different influences on normal forces. Normal forces for CC of wet spruce
are slightly higher than for dry spruce whereas no difference is found in UC experiments. CC
of dry beech leads to greater normal forces than CC of wet beech, whereas similar normal
forces were found in UC experiments for both moisture contents.
Influence of Ultrasonic Vibration Amplitudes on Normalized Cutting
Forces
Cutting forces at different ultrasonic vibration amplitudes of the steel knife are presented in
Fig. 4. Results are shown relative to the mean cutting force measured in CC experiments
(vibration amplitude zero) with the same equipment. In dry spruce (Fig. 4(a)) as well as dry
beech (Fig. 4(b)), ultrasonic vibrations significantly reduce the cutting forces, and vibration
amplitudes of 10 �m lead to cutting forces, which are in the order of 40 % of the respective
values found in CC experiments. At vibration amplitudes of 30 �m, the cutting forces are
approximately 20 % (spruce) or 30 % (beech) of the respective values found in CC tests.
Discussion
The results presented above show, that ultrasonic vibrations of the cutting knife significantly
affect forces cutting wood. Several influences, including wood species, moisture content, chip
thickness and ultrasonic vibration amplitude have been found and will be discussed in the
following.
The influence of wood species on the measured cutting forces may be mainly attributed to the
different mass density [12]. Comparing normalized cutting forces of dry spruce and dry
beech, larger values are found for wood with the larger density whereas normal forces are
almost similar. Besides mass density, the moisture content has great effects on the mechanical
properties of wood and thus on cutting forces. Cutting forces are reported to decrease with
increasing moisture content from 10% RH to fibre saturation [12, 13]. This general behaviour
was reproduced in this study, and lower cutting forces were found in wet instead of dry spruce
and beech. One reason is the decreasing strength and stiffness of wood with increasing
moisture content below fibre saturation, whereas at higher moisture contents these mechanical
properties remain almost constant [14-18]. This implies that continuous chips formed during
cutting are bent and inelastically deformed at lower forces at the higher moisture content,
which additionally reduces the necessary cutting force. From fracture mechanics point of
view, the fracture toughness of wood decreases with increasing moisture content [19, 20].
Seite 58

This may be similarly used to account for lower cutting forces found in the wet samples.
Moisture affected cutting forces in beech more pronounced than in spruce. While greater
cutting forces were measured for dry beech than dry spruce, forces were approximately
similar in the wet condition.
For both species and both moisture contents, the cutting forces show linear dependence on
uncut chip thickness. The regression line has a finite slope, which intersects the ordinate at
positive cutting force for hypothetical zero chip thickness. According to Kivimaa [12] the
non-zero axis intersection indicates, that the cutting force consists of two different
contributions: one is the force needed to actually cut the material and the second accounts for
the deformation of the separated chip. More recent studies regarding fracture mechanical
modelling of cutting [21] assign the axis intersection at zero chip thickness to the work of
fracture (energy associated with separation of the material) and the slope of the regression line
to plastic work consumed by deforming unit volume. Refined cutting models include friction
on the rake face of the tool and predict deviations from linear behaviour to lower cutting
forces at small chip thickness [22, 23]. Additionally, friction on rake face may influence the
slope of the linear correlation of normalized cutting force and chip thickness [23].
Ultrasonic vibrations of the knife significantly reduce cutting forces. The intersection with the
ordinate at zero chip thickness is at lower cutting forces in both species and both moisture
contents, and the gradients of the linear approximation lines are smaller. Kato [7] reports
similar findings in ultrasonic cutting of wood using different tool geometry and at a factor of
65 lower cutting speed. Friction forces are prominent contributions to cutting forces, which
are significantly reduced by superimposed ultrasonic vibrations. Friction of the cutting tool is
caused by the contact of the clearance face with the cut surface and of the rake face with the
chip.
The experiments show that extrapolation of normal force to zero chip thickness does not
intercept at zero force, i.e. at zero chip thickness the cutting tool is pushed on the cutting
surface and friction on the clearance face results. Analysis of knife movement with respect to
the specimen for the investigated cutting speed shows (Fig. 5) that the cutting tool performs
an inclined sinusoidal trajectory, since the ultrasonic cutting system is inclined by 40°.
Following the trajectory from zero position, the tool penetrates into the material until
maximum depth. Then the tool moves back, compression forces on the wood surface release
and the tool starts moving forward again. The effect of forward and backward moving of the
tool reduces by mean the sliding friction forces. Studies of ultrasonically vibrating tools on
Seite 59

wood surfaces give experimental evidence for reduced friction forces [24] and can be
accounted for in Coulomb friction models [25, 26]. Reduced normal forces in UC experiments
were found in spruce and dry beech, whereas wet beech showed similar forces in UC and CC
experiments. Besides positive compression forces on the cut surface from the clearance face,
bending of the chip causes negative contributions to the measured normal force, and the
respective contributions are obviously different, depending on the material.
The effect of ultrasonic vibrations to reduce cutting forces is the more pronounced the larger
the vibration amplitudes (Fig. 4). Normalized cutting forces in ultrasonic experiments, fC(UC)
depend on the vibration amplitude, u and may be approximated using the following equation:
fC�UC��fC�CC��fvibr � 1� exp � u
��
�� �� ��
�� �� u0 ��
��
fC(CC) is the normalized cutting force found in conventional cutting experiments (vibration
amplitude, u is zero) and fvibr and u0 are experimental constants, as shown in Table 3. The
vibration force, fvibr is understood as the principally possible reduction of cutting force by
ultrasonic vibrations, and u0 is the vibration amplitude, where 37 % of this reduction is
actually found. This vibration amplitude u0 is in the range of 10 �m for dry spruce and dry
beech.
Considering possible applications of ultrasonic-assisted cutting in wood processing, it is most
interesting, that reduction of cutting force is considerable already at vibration amplitudes of
10 �m. It should be noted, however, that the cutting velocity investigated was far below the
cutting speed in technical applications. Theoretical considerations predict, that the ultrasonic
amplitude must be increased to obtain significant effects as the cutting speed increases [1].
Increase of vibration amplitude is possible by several methods, including mechanical design
of the components and different types of ultrasonic transducers. Cyclic stresses at large
amplitudes, however, may damage the mechanical components due to material fatigue and
additionally the power requirement typically increases by an exponent of 2 or more with
increasing vibration amplitude. The present investigation shows that cutting forces are
reduced already at relatively small amplitudes, which makes ultrasonic cutting a promising
technology in the field of wood processing.
Seite 60
�� ��
�� �� ��
��
��
��
(3)

Conclusions
Ultrasonic vibrations of the cutting knife reduce cutting forces processing dry and wet
softwood and hardwood. Reduced friction forces acting at the cutting knife mainly cause this
effect.
Linear correlation of cutting and normal force, respectively, and uncut chip thickness is
observed in ultrasonic-assisted cutting and conventional cutting experiments. Ultrasonic
vibrations change the necessary forces for hypothetical zero chip thickness as well as the
increase (cutting force) or decrease (normal force), respectively with increasing chip
thickness.
Cutting forces decrease as the ultrasonic vibration amplitudes increase and are 20 - 30 % of
the cutting forces found in conventional cutting tests at vibration amplitudes of in the range of
30 �m. Ultrasonic cutting forces may be described as exponential decay of cutting forces with
vibration amplitude from cutting force in conventional tests to minimum cutting force at high
amplitudes.
Acknowledgements
This work is financed by the Austrian Federal Ministry of Transport, Innovation, and
Technology (BMVIT), Subprogram "Factory of Tomorrow", which is gratefully
acknowledged.
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Seite 63

Tables
Table 1: Linear regression analysis of normalized cutting forces fC as a function of chip
thickness h (eqn. 1). fC0 is the hypothetical normalized cutting force for zero chip thickness;
kC is slope of regression line; r is the correlation coefficient.
Wood Condition Methodology fC0 (N/mm) kC (N/mm 2 ) r
Spruce
Beech
Dry
Wet
Dry
Wet
CC 2,92±0,59 30,62±4,68 0,96
UC 1,82±0,47 17,14±3,74 0,92
CC 2,05±0,33 15,25±2,15 0,95
UC 0,95±0,15 7,85±0,98 0,96
CC 4,87±0,58 25,74±4,61 0,94
UC 3,08±0,45 10,84±3,59 0,80
CC 1,83±0,13 12,59±0,66 0,99
UC 0,78±0,07 7,93±0,36 1,00
Seite 64

Table 2: Linear regression analysis of normalized normal forces, fN as a function of chip
thickness, h (eqn. 2). fN0 is the hypothetical normalized normal force for zero chip thickness;
kN is slope of regression line; r is the correlation coefficient.
Wood Condition Methodology fN0 (N/mm) kN (N/mm 2 ) r
Spruce
Beech
Dry
Wet
Dry
Wet
CC 3,28±0,41 -6,87±3,27 -0,72
UC 2,16±0,25 -6,69±2,00 -0,86
CC 3,77±0,18 -6,12±0,80 -0,95
UC 2,10±0,33 -5,03±2,05 -0,71
CC 3,72±0,50 -12,70±3,95 -0,85
UC 1,94±0,35 -9,86±2,79 -0,84
CC 1,45±0,19 -5,99±0,96 -0,95
UC 1,25±0,16 -4,47±0,82 -0,94
Table 3: Parameter of regression analysis according to eqn. 3: fvibr/fC(CC) is the principally
possible reduction of cutting force at high vibration amplitudes with respect to the
conventional cutting force, and u0 is the ultrasonic vibration amplitude, where 37 % of this
reduction is reached.
fvibr/fC(CC), (%) u0, (�m)
Dry Spruce 88.0±4.6 9.9±1.2
Dry Beech 74.8±3.2 8.7±0.9
Seite 65

Figures
Fig. 1: Mechanical components of the ultrasonic cutting system. Vibration amplitude varies
along the length of the mechanical parts and is maximal at the cutting knife´s edge. Node in
the mounting device is used to clamp the whole system.
Seite 66

Seite 67

Fig. 2: Normalized cutting forces (forces per unit thickness) depending on chip thickness
measured in CC (closed circles) and UC experiments (open circles) for dry spruce (a), wet
spruce (b), dry beech (c) and wet beech (d).
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Seite 69

Fig. 3: Normalized normal forces depending on chip thickness measured in CC (closed
circles) and UC experiments (open circles) for dry spruce (a), wet spruce (b), dry beech (c)
and wet beech (d).
Seite 70

Fig. 4: Influence of ultrasonic vibration amplitudes of steel knife on cutting forces for chip
thickness 200 �m in dry spruce (a) and dry beech (b). Cutting forces at vibration amplitude
zero (=100 %) determined with CC experiments serve for comparison.
Seite 71

Fig. 5: Movement of the knife at vibration amplitude, u=8 �m, cutting speed, vC=170 mm/s,
and mounting the equipment 40° inclined to the cutting direction.
Seite 72

9 Beilage 2: Surface Properties of Wood and MDF
submitted to Journal of Materials Science
Gerhard Sinn 1 , Herwig Mayer 1* , Stefanie Stanzl-Tschegg 1 , 2
1 Institute of Physics and Material Science, BOKU - University of Natural Resources and
Applied Life Sciences, Türkenschanzstr. 18, A-1180 Vienna, Austria
2 Christian Doppler- Laboratory for Fundamentals of Wood Machining, BOKU - University
of Natural Resources and Applied Life Sciences, Türkenschanzstr. 18, A-1180 Vienna,
Austria
* Corresponding author: herwig.mayer@boku.ac.at
Abstract
Surfaces created by ultrasonic-assisted cutting (UC) of beech and spruce and of medium
density fibreboard (MDF) are compared to surfaces obtained by conventional linear cutting
(CC) using a sharp tool. Topography is evaluated performing roughness measurements and
scanning electron microscopy. No effect of UC procedure on mean roughness is found.
Surface of MDF and large areas of the surfaces of the woods appear similar after UC and CC,
whereas other regions show impact marks and microscopic reels produced by the periodic
oscillation of the tool in UC. Wettability of surfaces produced with both wood processing
techniques is similar. Surface free energy measurements indicate accelerated ageing caused
by UC, probably due to heating.
Keywords
Ultrasonic Cutting, Surface Energy, Wettability, Roughness, Wood, MDF
Seite 73

Introduction
Ultrasonic assisted cutting is a promising material processing technology. With this method,
the cutting tool is excited to ultrasonic vibrations at amplitudes of several micrometers and
frequencies in the range of 20 kHz. Beneficial influences on the cutting process are the
reduction of cutting forces as reported for cutting metals [1] and metal matrix composites [2]
and improved surface finish which is observed processing metals [3, 4], optical plastics [5]
and glasses [6].
Few investigations exist on ultrasonic assisted cutting of wood. Kato [7] found reduced
cutting forces caused by ultrasonic excitation of the cutting knife in experiments with Hinoki
(Chamecyparis obtusa ENDL.) and Buna (Fagus crenata Blume) wood. Fujiwara [8] showed
that the kinetic friction coefficient could be reduced by 80 % superimposing ultrasonic
vibrations on the movement of the cutting tool. Our investigations performed with spruce
(Picea abies (L.) Karst.) confirm the positive influence of ultrasonic vibrations on the cutting
process. Superimposing oscillations of 8 �m to the linear movement of the knife reduced the
cutting forces necessary to produce chips with thickness 100 �m by approximately 33 % [9].
One of the most important factors processing wood is the quality of the obtained surfaces. A
new machining process should be able to create better or at least similar surface quality to
existing systems. No systematic investigation, however, on wood surfaces produced by
ultrasonic assisted cutting is found in the literature. Surface properties influence the
subsequent technological steps, i.e. large surface roughness often makes additional sanding
necessary; better wetting behaviour improves penetration and adhesion of coatings [10] and
adhesive bonds may be weakened by layers of compressed and crashed wood cells [11-13].
The obtained wood surfaces after processing may be considered as a complex combination of
the biological structure [14], the influence of the separation process to produce the surface
[15] and time dependent organic chemical processes on the newly created surface [16]. In
order to study the influence of ultrasonic cutting on surfaces of wood based materials (beech,
spruce and MDF), resultant surfaces were analysed and compared to those obtained for the
same materials and cutting geometry without superimposed vibration (conventional cutting).
The investigated materials are commonly used in the furniture industry where high quality of
surfaces is required. Scanning electron microscopy (SEM) and surface roughness
measurements were performed to analyse the surface topography after conventional and
Seite 74

ultrasonic-assisted cutting procedures. Wettability measurements and contact angle
investigations served to quantify chemical modifications.
Materials and Methods
Materials
Ultrasonic-assisted cutting (UC) and conventional cutting (CC) experiments were performed
with softwood Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.), with measured raw density of
415.4±23.2 kg/m 3 and with hardwood, beech (Fagus sylvatica L.) with density
722.0±38.7 kg/m 3 . Coated medium density fibre board (MDF) with raw density of
828.2±5.5 kg/m 3 served as representative for wood composites. MDF is an artificial product
based on wood fibres with adhesive content of maximum 12 % [17].
Both woods were cut in longitudinal direction and parallel to the fibres creating an LR-plane
[18]. Length of samples was 100 mm and width was 10 mm (spruce and beech) and 19 mm
(MDF), respectively. All specimens were stored in a climate chamber with standard climate of
20 °C and 65 % relative humidity until equilibrium moisture content was reached.
Ultrasonic-assisted cutting
The arrangement used in the cutting experiments is shown in Fig. 1. The sharp cutting knife
(steel blade) with wedge angle, � of 45° is fixed by soldering at the tip of the tool holder. The
tool holder is rigid in order to minimise undesirable movement of the knife due to forces
acting during the cutting experiments. The clearance angle of the cutting knife, � is 10°. The
device is mounted on an instrumented microtome to cut slices at constant cutting speed
170 mm/s and constant thickness of the uncut chip of 100 �m.
The whole device comprising the ultrasonic transducer to generate ultrasonic vibrations,
components to mount the equipment and the cutting tool with the attached steel knife is
mounted in an angle � of 30 ° with respect to the specimen’s surfaces. Longitudinal ultrasonic
vibrations at vibration amplitude of 8 �m at the place of the steel knife are generated and the
frequency is approximately 20 kHz. This frequency is the resonance frequency of the
mechanical system. In ultrasonic assisted cutting experiments, the movement of the steel
blade thus may be considered as the superposition of the harmonic vibration in direction 30 °
with respect to the specimen surface and of the linear movement of the load train with
constant cutting speed parallel to the specimen surface.
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Surface Topography Analysis
Surface roughness is one of the most considered factors regarding surface quality. Within this
work 4 roughness parameters were evaluated using stylus type system, Mahr surface
Perthometer M2. Surface roughness of the cut surface was measured in cutting direction
(growth direction of the wood) with cut-off length 2.5 mm. Three roughness height
parameters were evaluated: The average deviation of the profile from the mean line, Ra, the
root mean square roughness, Rq, and the average of 5 peak-to-valley heights, Rz [19, 20]
according to norm ISO 4287. To include one roughness spacing parameter in the evaluation,
the mean spacing of profile irregularities, RSm (ISO 4287) was evaluated.
The roughness height and spacing parameters served to evaluate potential differences of
surface profiles obtained by conventional and ultrasonic assisted cutting. Additionally, cut
specimens of the three materials have been analysed by scanning electron microscopy in high
vacuum to compare surfaces obtained with both techniques.
Contact angle measurements
Semiautomatic measurement equipment Digidrop from GBX Company was used to perform
contact angle measurements. All experiments were performed within five hours after cutting
in order to avoid substantial surface inactivation. Two kinds of experiments were performed
with beech:
The first series of experiments served to analyse the time dependent wettability of water
droplets placed on the different surfaces. Drops of specified volume are dosed automatically
by an auto syringe and are picked up by the specimen lying on a movable sample table [21].
Two-dimensional shape of the droplet as observed from the tangential direction was recorded
in a movie file with 15.5 pictures per second, and left and right contact angles were evaluated.
42 experiments have been performed for both CC and UC surfaces of beech.
The second experimental series was advancing contact angle measurements, which served to
determine the surface free energy by using the acid-base approach [22-25]. Contact angles of
expanding droplets, i.e. advancing contact angles of test liquids were measured on the cut
surfaces as observed from tangential direction. For these experiments, the syringe stays in the
droplet continuously adding fluid from the top. This enables to perform measurements in
dynamic equilibrium where the three-phase boundary moves on the surface. Thus, the size of
the droplet increases and continuously wets new areas of the surface. In advancing contact
angle measurements experimental difficulties due to penetration of fluid into the wood can be
Seite 76

overcome. Diiodomethane, formamide and water with surface energy parameters taken from
Ref. [26] and shown in Tab. 1 were used to evaluate the measurements. Total of 25 contact
angles were evaluated for CC and UC surfaces, respectively.
Results
Results of roughness measurements (mean values and standard deviation) are summarized in
Tab. 2. For beech and MDF mean roughness height parameters of UC surfaces were slightly
lower than for CC surfaces, whereas the opposite was found for spruce. Considering standard
deviations of the measured values, however, scatter ranges of roughness parameters measured
on CC and UC surfaces overlap.
In order to statistically analyse the measured data in more detail, two sided T-Tests (P=5 %)
were performed. The hypothesis for these T-Tests is that for the same material the mean
surface roughness produced with UC and CC are equal. Table 2 shows the results of these Ttests.
The hypothesis could not be rejected in all cases, which means that mean values of Ra,
Rq, Rz and RSm were not significantly different for UC and CC surfaces.
Single sided F-Tests (P=5 %) served to compare variances of roughness parameters measured
on UC and on CC surfaces for the same material. Two hypotheses were tested, i.e. the
variance measured in UC tests is larger than the respective value measured in CC tests, and
the variance in CC tests is smaller than in UC tests. Table 3 shows that both hypotheses were
rejected for MDF. This means that variances of surface roughness parameters were similar for
both cutting procedures. Similarly, no influence of the cutting procedure on roughness
parameter RSm was found for spruce and beech. Variance of the other roughness parameters
Ra, Rq and Rz, however, may be larger (spruce) or smaller (beech), respectively, for UC than
for CC.
Scanning electron microscope investigations have been used to detect possible differences in
the appearance of surfaces produced by UC and CC cutting. In spruce and beech, the cut
surface shows longitudinal cells oriented in cutting direction, partially sliced with visible
middle lamellae and open cell lumina. In large areas, the surfaces produced with both cutting
techniques do not show any differences. In other regions, however specific features could be
found on UC surfaces but not on CC surfaces. Periodic impact marks produced by the
ultrasonically vibrating knife are visible in some areas of the cut surface of beech (Fig. 2(a))
and spruce (Fig. 2(b)). Other features are microscopically small reels with diameter 10 –
Seite 77

20 �m and length in the order of 50 �m, which could be occasionally found on UC surfaces.
Fig. 3 shows such reels on the cut surface of beech (Fig. 3(a)) and spruce (Fig. 3(b)).
In contrast to wood, the structure of medium density fibreboard consists of irregularly
oriented wood fibres embedded in the matrix. The cut surface shown in Fig. 4 reflects this
structure, and cells oriented approximately normal as well as parallel to the cutting direction
are visible. No reels or impact marks are found, and the surfaces produced by UC and CC do
not show obvious differences. Conventional and ultrasonic cutting of MDF produces particles
and some debris are visible on the cut surfaces in contrast to wood, which leads to the
formation of continuous chips in CC as well as in UC experiments.
Contact angle measurements were performed with beech. In experiments with beech and
spruce, the testing fluid rapidly penetrated into the surface, which made evaluations
impossible. Wettability tests with testing liquid water served to evaluate the surface reactivity
of beech. The results for surfaces produced by CC are shown in Fig. 5(a) and Fig. 5(b) for
UC. The measured data show pronounced scatter, mainly due to the inhomogeneous structure
of wood. Thick lines represent mean curves, which are similar for UC and CC. This means
that the wettability is not influenced by the cutting procedure, within the ranges of scatter.
Surface energy measurements and evaluations were performed using the acid-base approach.
In Fig. 6, the surface energy components evaluated for CC and UC beech surfaces are
presented. Data of the entire surface free energy, �, the Lifshitz van der Waals component,
� LW and the polar component, � ab with the constituents’ acid component, � + and base
component, � - are shown. Surface free energy, components and constituents are correlated
according to eqn (1).
��� LW �� ab �� LW �2 � � � � (1)
Entire surface free energies, Lifshitz van der Waals components and the polar components of
beech surfaces produced by CC coincide with the respective values of surfaces produced by
UC, within the ranges of scatter. The base component, � - , however, is larger for CC surfaces
than for UC.
Discussion
In this study, the woods beech and spruce and the wood based fibre material MDF was cut
with a sharp tool. In MDF, UC as well as CC produced small particles, whereas continuous
Seite 78

chips were formed in both procedures cutting wood in longitudinal direction. For this process
and cutting direction it is known that a sharp tool produces reasonably good surfaces even for
low cutting speeds, like 170 mm/s as used in this study [27].
Roughness parameters investigated here, i.e. three roughness height parameters, Ra, Rq and Rz
and one spacing parameter, RSm delivered similar mean values for UC and CC surfaces. For
homogeneous materials, these roughness parameters could be used reasonably well to
characterise the influence of the processing technique on the obtained surfaces. In porous
materials like woods, however, the measured roughness is influenced by both, the material's
structure and the material's processing technique [27, 28]. There exists no generally accepted
rule how to divide structural roughness from roughness caused by processing. UC may
influence the surface profile; however, the considered roughness parameters could be too
insensitive to account for these variations.
Additional information on surface structure caused by UC is available from the SEM surface
studies. Two surface features of wood, which were found only on surfaces produced by UC
and not on those created by CC were periodic impact marks (Fig. 2) and microscopic reels
(Fig. 3). Both microscopic features can be rationalised with the kinematics of the steel blade
with respect to the cutting surface, as shown in Fig. 7. The steel blade vibrates at 20 kHz and
vibration amplitude 8 �m and is inclined by 30 ° to the cutting surface. The whole system
moves forward with constant speed in cutting direction. Moving the blade with 170 mm/s for
50 ms (duration of one oscillation), the blade has the same vertical position and moving
direction within a periodic distance of 8.5 �m in cutting direction.
The sinusoidal movement of the steel blade means that the blade penetrates the material in
forward direction, creates new surfaces and then moves back und upward before it reverses
and penetrates the material again. Periodic impact marks shown in Fig. 2 reflect the
oscillation of the steel blade and distances between two marks are in the range 8.5 �m.
Although sharp blades were used in the experiments, the cutting edge has certain roundness
(the radius of the sharp blade is less than 1 �m and progressively increases with increasing in-
service time). Besides material separation, the material below the blade is compressed and
deformed and some adhesion of material may occur. Adhesion of loose material may lead to
the microscopic reels, which are observed in some regions of the cutting surfaces of both
woods (Fig. 3).
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Changes in surface chemistry were evaluated by wettability tests and surface free energy
measurements. Wettability tests performed on beech showed, that spreading and penetration
of the water drops are similar on surfaces produced by UC and CC. The main parameter
besides surface chemistry, which determines wettability, is the surface structure. Except some
specific features, which were found in certain areas of UC surfaces, surface appearance was
similar after both cutting procedures and no influence on the measured mean roughness was
found. Compression of cells and the creation of weak boundary layers of destroyed material
[13] were rare in both cases since sharp tools have been used.
Surface energy is sensitive to variations of surface chemistry. Measurements performed on
beech surfaces revealed similar values of entire surface free energy, the Lifshitz van der
Waals component, the polar component and the acid component, within the ranges of scatter.
The base component, �however, was reduced by approximately 30 % on UC surfaces
compared with surfaces produced by CC. Investigations on microtomed beech samples
showed reductions of the base component of aged wood [24, 29], and thermal loading
accelerates ageing [30, 31]. Heat may be generated on the cutting surfaces in UC experiments
due to the high frequency movement of the steel blade. This could explain accelerated ageing
and thus the lowered base components on UC surfaces.
Conclusions
Cut surfaces of beech and spruce in longitudinal fibre direction and of MDF have been
studied after conventional cutting (CC) and ultrasonic-assisted cutting (UC). UC experiments
have been performed superimposing ultrasonic vibrations of 8 �m and frequency 20 kHz to
the linear movement of the cutting knife. The following conclusions may be drawn.
1. Mean roughness obtained after UC and CC were similar, whereas variances of the
roughness parameters Ra, Rq and Rz were larger (beech) or smaller (spruce), respectively for
conventionally cut surfaces.
2. Electron microscopy revealed similar cutting surfaces produced in MDF for UC and CC
and reflect the structure of randomly oriented fibres embedded in adhesive. Large areas of the
surfaces of both woods appear similar after both cutting procedures and show (partially
sliced) cells. Compression of cells and the creation of weak boundary layers of destroyed
material were rare since sharp tools were used. Periodic impact marks and microscopic reels
were found only on UC surfaces.
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3. Wettability of beech with water was similar after UC and CC.
4. Surface reactivity investigations of beech surfaces showed influences of cutting procedure
on the base component of the surface free energy, which was lower for UC surfaces. Possible
explanation is accelerated ageing due to thermal loading of the cutting surface.
Acknowledgements
This work was financed by the Austrian Federal Ministry of Transport, Innovation, and
Technology (BMVIT), Subprogram "Factory of Tomorrow", which is gratefully
acknowledged.
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Seite 83

Tables
Tab. 1: Surface energy components (in mJ/m 2 ) of the test liquids used in this work [26].
Test liquid � � LW
Diiodomethane
(CH2I2)
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� ab
50.80 50.80 0.00 0.00 0.00
Formamide (CH3NO) 58.00 39.00 19.00 2.28 39.60
Water 72.80 21.80 51.00 25.50 25.50
Tab. 2: Mean values and standard deviations (in �m) of roughness parameters Ra, Rq, Rz and
RSm.
Specimen Repetitions Ra Rq Rz RSm
Beech CC 15 5.16±2.25 6.95±2.97 32.4±12.8 591±166
Beech UC 15 4.98±1.24 6.85±1.63 30.6±5.0 624±137
Spruce CC 15 4.63±1.31 6.10±1.73 28.4±6.8 721±163
Spruce UC 14 5.36±2.77 6.99±3.40 31.9±14.5 645±149
MDF CC 15 6.63±1.78 9.07±2.45 52.7±13.0 273±44
MDF UC 15 6.20±1.81 8.45±2.43 49.1±12.0 276±51
� +
� -

Tab. 3: Results of T-Tests of significance of two unknown means, � with unknown standard
deviations, �. “Yes” means that the hypothesis H0: �(CC)=��(UC), P=5% cannot be rejected.
Ra Rq Rz RSm
Beech Yes Yes Yes Yes
Spruce Yes Yes Yes Yes
MDF Yes Yes Yes Yes
Tab. 4: Results of F-Tests of significance of the hypotheses H0: � � (CC)>� � (UC) and H0:
� � (CC)� � (UC) cannot be
rejected and "CC

Figures
Fig. 1(a)
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Fig 1(b)
Ultrasonic
Vibration
�
�
�
Tool Holder
Steel Knife
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Cutting Direction
Fig. 1: Geometric arrangement of ultrasonic-assisted cutting and conventional cutting
experiments. (a), the tool tip and attached knife while cutting spruce. (b), involved angles, i.e.
clearance angle �, wedge angle � and angle of vibration axis � with respect to the cutting
surface.

Fig. 2(a)
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Fig. 2(b)
Fig. 2: Periodic impact marks on the surface of beech (a) and spruce (b) created by ultrasonicassisted
cutting. Cutting direction is from right to left (a) and from left to right (b),
respectively.
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Fig. 3(a)
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Fig. 3(b)
Fig. 3: Surfaces produced by ultrasonic-assisted cutting of beech (a) and spruce (b).
Microscopically small reels were formed. Cutting direction was from bottom to top (a) and
from left to right (b), respectively.
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Fig. 4: Surface of MDF produced by UC. Randomly oriented fibres embedded in adhesive are
visible. Cutting direction is from left to right.
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Fig. 5: Contact angle of water measured on cut surfaces of beech as a function of time.
Surfaces were produced by CC (a) and UC (b), respectively.
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(a)
(b)

Fig. 6: Surface energies on beech surfaces produced by CC (grey columns) and UC (white
columns). � is the entire surface free energy, � LW the Lifshitz van der Waals component, � ab
the polar component, � + the acid component, and � - the base component. Error bars indicate
standard deviations.
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Fig. 7: Movement of the knife at vibration amplitude 8 �m, vibration frequency 20 kHz,
cutting speed 170 mm/s and angle of vibration axis 30°.
Seite 95